KR102068504B1 - 동력 생산 사이클로부터 연소 생성물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들 - Google Patents

동력 생산 사이클로부터 연소 생성물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들 Download PDF

Info

Publication number
KR102068504B1
KR102068504B1 KR1020187014323A KR20187014323A KR102068504B1 KR 102068504 B1 KR102068504 B1 KR 102068504B1 KR 1020187014323 A KR1020187014323 A KR 1020187014323A KR 20187014323 A KR20187014323 A KR 20187014323A KR 102068504 B1 KR102068504 B1 KR 102068504B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
direct contact
cooling tower
contact cooling
stream containing
stream
Prior art date
Application number
KR1020187014323A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20180072779A (ko
Inventor
로드니 존 알람
시지아 루
스콧 토마스 마틴
Original Assignee
8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 8 리버스 캐피탈, 엘엘씨 filed Critical 8 리버스 캐피탈, 엘엘씨
Publication of KR20180072779A publication Critical patent/KR20180072779A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102068504B1 publication Critical patent/KR102068504B1/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/74—General processes for purification of waste gases; Apparatus or devices specially adapted therefor
    • B01D53/77—Liquid phase processes
    • B01D53/78—Liquid phase processes with gas-liquid contact
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/48—Sulfur compounds
    • B01D53/50—Sulfur oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/54—Nitrogen compounds
    • B01D53/56—Nitrogen oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/64—Heavy metals or compounds thereof, e.g. mercury
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/50—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N3/00—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust
    • F01N3/08—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous
    • F01N3/10—Exhaust or silencing apparatus having means for purifying, rendering innocuous, or otherwise treating exhaust for rendering innocuous by thermal or catalytic conversion of noxious components of exhaust
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02C—GAS-TURBINE PLANTS; AIR INTAKES FOR JET-PROPULSION PLANTS; CONTROLLING FUEL SUPPLY IN AIR-BREATHING JET-PROPULSION PLANTS
    • F02C3/00—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid
    • F02C3/34—Gas-turbine plants characterised by the use of combustion products as the working fluid with recycling of part of the working fluid, i.e. semi-closed cycles with combustion products in the closed part of the cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23C—METHODS OR APPARATUS FOR COMBUSTION USING FLUID FUEL OR SOLID FUEL SUSPENDED IN  A CARRIER GAS OR AIR 
    • F23C9/00—Combustion apparatus characterised by arrangements for returning combustion products or flue gases to the combustion chamber
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/02—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material
    • F23J15/04—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of purifiers, e.g. for removing noxious material using washing fluids
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J15/00—Arrangements of devices for treating smoke or fumes
    • F23J15/06—Arrangements of devices for treating smoke or fumes of coolers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/10—Oxidants
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2251/00—Reactants
    • B01D2251/10—Oxidants
    • B01D2251/102—Oxygen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2256/00—Main component in the product gas stream after treatment
    • B01D2256/22—Carbon dioxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/30—Sulfur compounds
    • B01D2257/302—Sulfur oxides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/40—Nitrogen compounds
    • B01D2257/404—Nitrogen oxides other than dinitrogen oxide
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/60—Heavy metals or heavy metal compounds
    • B01D2257/602—Mercury or mercury compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2258/00—Sources of waste gases
    • B01D2258/02—Other waste gases
    • B01D2258/0283—Flue gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00—Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/04—Sulfur or sulfur oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL COMBUSTION ENGINES
    • F01N2570/00—Exhaust treating apparatus eliminating, absorbing or adsorbing specific elements or compounds
    • F01N2570/14—Nitrogen oxides
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2215/00—Preventing emissions
    • F23J2215/20—Sulfur; Compounds thereof
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2215/00—Preventing emissions
    • F23J2215/50—Carbon dioxide
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23—COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23J—REMOVAL OR TREATMENT OF COMBUSTION PRODUCTS OR COMBUSTION RESIDUES; FLUES 
    • F23J2219/00—Treatment devices
    • F23J2219/40—Sorption with wet devices, e.g. scrubbers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Oil, Petroleum & Natural Gas (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Toxicology (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Treating Waste Gases (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)
  • Catalysts (AREA)
  • Gas Separation By Absorption (AREA)

Abstract

본 발명은 고압의 순환하는 유체를 사용하는 동력 생산 사이클로부터 오염 물질을 제거하기 위한 시스템에 관한 것이다. 상기 시스템은 고압의 순환하는 유체를 냉각시키고, 상기 순환하는 유체로부터 SO2를 제거하는 유체 스트림을 응축시키도록 구성되는 제1 직접 접촉식 냉각탑을 포함한다. 제1 재순환 펌프는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑과 유동적으로 연동된다. 상기 제1 냉각탑은 냉각된 CO2 생성물 스트림을 순환시키도록 구성되는 유출구를 포함하고, 제2 직접 접촉식 냉각탑은 상기 유출구로부터 상기 냉각된 CO2 생성물 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성된다. 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑은 상기 CO2 생성물 스트림을 냉각시키고, 상기 CO2 생성물 스트림으로부터 NOX를 제거하는 유체 스트림을 응축시키도록 구성된다. 제2 재순환 펌프는 상기 제2 냉각탑과 유동적으로 연통된다. 관련 방법이 제공된다.

Description

동력 생산 사이클로부터 연소 생성물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들
본 발명은 동력 생산 사이클로부터 생성물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들에 관한 것이다. 특히, 시스템들과 방법들은 고압의 재순환하는 동작 유체를 사용하는 동력 생산 사이클로부터 산성 가스 오염 물질들을 제거하는 시스템들과 방법들이 제공된다.
동작 유체로서 이산화탄소로 화석 연료(들)의 연소를 이용하는 동력을 발생시키기 위한 시스템들과 방법들이 전체적으로 여기에 참조로 포함되는 미국 특허 제8,596,075호에 개시되어 있다. 비탄소 동력 소스들이 개발되고 사용되고 있지만 화석 연료(들)가 다음 100년 동안에 세계적인 전력 요구의 대부분을 계속하여 제공할 것으로 추정되고 있다. 그러나, 상기 화석 연료(들) 및/또는 적합한 바이오매스와 같은 탄화수소 연료들의 연소를 통한 동력 발생의 알려진 방법들은 증가되는 에너지 비용과 이산화탄소(CO2)의 생성 및 배출을 감소시키는 요구에 의해 제한되고 있다. 지구 온난화는 선진국과 개발도상국에 의한 CO2의 증가되는 배출의 잠재적인 재앙적인 결과로 여겨진다. 태양력 및 풍력이 아마도 가까운 미래에는 화석 연료(들) 및/또는 다른 탄화수소 연료들의 연소로부터 발생되는 동력을 대체할 수 없을 것이다. 또한, 원자력은 핵물질들을 확산과 핵폐기물의 처리를 포함하는 관련된 위험들이 있다.
전술한 바와 같이 연소로부터 발생되는 동력은 현재 격리 지점들로의 이송을 위해 고압의 CO2의 포집, 향상된 오일 회수 동작들 및/또는 재사용을 위한 일반적 파이프라인 주입에 대한 요구들로 점차 부담이 증가되고 있다. CO2의 포집에 대한 이러한 요구는 고효율의 결합 연소 사이클 플랜트들과 같은 현재의 동력 발생 시스템들과 방법들로 수행되기 어려우며, CO2의 포집에 초래되는 부수적인 부담은 매우 낮은 열효율들을 가져올 수 있다. 또한, 원하는 레벨의 CO2 포집을 구현하기 위한 자본 비용은 높다. 이들 및 다른 문제들은 대기로 CO2를 배출하는 시스템들에 비하여 상당히 높은 전력비(예를 들어, 50%-70% 정도의 증가)를 야기한다. 점진적인 지구 온난화 및/또는 탄소 배출 과세는 환경과 동력 발생의 경제성에 파국적인 영향을 미칠 수 있다. 이에 따라, 보다 낮은 전력비와 포집된 CO2를 격리시키고 저장하는 향상된 용이성을 제공할 수 있는 CO2를 포집함에 의한 CO2 배출의 감소와 함께 고효율의 동력 발생을 제공하는 시스템들 및 방법들에 대한 요구가 해당 기술분야에 존재한다.
CO2를 재포집하는 열역학적 부담을 극복하기 위한 하나의 접근 방식은 파이프라인 주입을 위해 적합한 압력들을 갖는 실질적으로 순수한 CO2 동작 유체를 채용하는 고효율의 동력 생산 사이클이다. 이러한 접근 방식은 재순환하는 천이 임계, 초임계 및/또는 극초임계의 동작 유체들을 채용하는 설계로 인기가 증가되고 있다. 주로 산소 연소로 형성된 CO2를 포함하는 이들 동작 유체들은 동력 생산 사이클 내의 포인트들에서 파이프라인 주입을 위한 적절한 압력들 및 온도들과 일치하는 동작 윈도우(window)들 내에 유지된다. 이들 일치하는 포인트들에서, 상기 동력 생산 사이클 내의 높은 효율들을 여전히 유지하면서 CO2가 상기 동력 생산 사이클로부터 파이프라인 및/또는 이러한 높게 가압되고 정제된 CO2를 요구하는 다운스트림 재사용 프로세스로 안전하게 배기될 수 있다.
하나의 이와 같은 동력 생산 사이클은 앞서 언급한 미국 특허 제8,596,075호에 개시된 브레이턴(Brayton) 형태의 동력 생산 사이클 내에서 완전히 회수된 천이 임계의 이산화탄소 동작 유체를 작동시키도록 탄화수소 연료의 산소 연소를 활용할 수 있다. 다양한 측면들에서, 상기 동력 생산 사이클은 본질적으로 원하는 격리 또는 파이프라인 압력을 가지는 탄화수소 연료의 연소로부터 형성되는 CO2의 실질적으로 100%를 포집한다. 또한, 상기 포집된 CO2는 실질적으로 높은 순도를 가진다. 천연 가스가 가연성 연료로 사용되는 측면들에 있어서, 이와 같은 동력 생산 사이클은 300bar까지 및 이를 넘는 압력들에서 CO2를 포집하는 효율의 감소 없이 일반적인 결합 사이클 시스템들에서 얻어지는 효율들과 실질적으로 동등한 열효율들을 구현할 수 있다. 특히, 상기 사용되는 가연성 연료가 천연 가스와 같이 낮은 농도의 황 및 질소를 함유할 때, 상기 사이클로부터 생성되는 CO2는 추가적인 후처리 단계들이 거의 없이 요구되는 몰 순도들에서 CO2 파이프라인으로 배기될 수 있다.
변화되는 등급의 석탄들, 페트-콕(pet-coke), 역청 또는 바이오매스와 같은 고체 연소 연료는 상승된 농도의 황, 질소 및 다른 연료 유래의 불순물들을 함유할 수 있다. 이러한 연료들이 사용될 때, 이들은 먼저 연료 가스를 생성하도록 고압의 가스화 장치(gasifier) 내에서 실질적으로 순수한 산소로 가스화될 수 있다. 상기 연료 가스는 이후에 임의의 잔류하는 미립자가 제거되고, 냉각되며, 요구되는 연소 압력까지 압축되고, 그 후에 상기 산소-연료 연소를 위한 동력 생산 사이클의 연소기로 도입된다. 또한, 상승된 농도의 황을 함유하는 화합물들을 포함하는 사워(sour) 천연 가스가 사용될 수 있다. 황 및 질소를 함유하는 화합물들과 같은 연료 유래의 불순물들은 산화 이전에 상기 연료 가스로부터 제거되지 않는다. 이와 같이, 상기 연료 가스는 주요 연료 소스에 따라 H2S, COS, CS2, NH3, HCN, Hg 및 다른 추적 성분들을 함유할 수 있는 실질적인 농도들의 불순물들을 보유한다.
연료 가스의 산소 연료 형태의 연소는 상대적으로 순수한 CO2 스트림, 다량의 물(H2O), 그리고 분자 산소(O2)를 포함할 수 있는 임의의 잔여 후연소 화합물들을 생성한다. 공기 분리 유닛이 상기 동력 생산 사이클에 사용될 경우, 상대적으로 낮은 농도의 분자 질소(N2)와 아르곤(Ar)이 존재할 수 있으며, 질소는 또한 임의의 설계된 공기 유입으로부터 유래된다. 또한, 황 및 질소를 함유하는 화합물들의 다른 산화 반응들이 의도적으로 과잉으로 유지될 수 있는 잔류하는 산화제로 일어날 수 있다. 이러한 산화는 주요 연료 또는 부분 산화 프로세스로부터 유래되고, 상기 산소-연료 연소기 및/또는 상기 동력 생산 사이클의 다른 고온 영역들 내에서 생성되는 몇몇 불순물들의 형성을 가져올 수 있다. 불순물들은 연료 유래의 황이 고온에서 산화될 때에 형성되는 이산화황(SO2) 및 삼산화황(SO3)과 같은 황산화물들(SOX)을 포함할 수 있다. 다른 불순물들은 시스템 씰들을 통해 들어가는 상기 연료 및/또는 공기 유래의 질소 내에 함유된 질소 화합물들이 고온에서 산화될 때에 형성되는 산화질소(NO) 및 이산화질소(NO2)와 같은 질소 산화물들(NOX)을 포함할 수 있다. 또한, Hg와 같은 다른 추적 불순물들이 산화 동안에 형성될 수 있다. 산성비를 생성하는 주요한 촉매들이기 때문에 환경적 규제의 적용을 받는 "산성 가스들"안 것으로 알려진 이들 황 및 질소의 산화된 화합물들 또한 이들의 수성 상내에 존재할 때에 장비를 부식시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 동력 생산 사이클의 적어도 일부의 부분들 내에 특정한 허용 한계 이하로 상기 산화된 화합물들을 제거 및/또는 유지할 필요가 있다. 이들 산화된 성분들은 대기로의 이들 유독성 불순물들의 배출을 방지하고, 내부 처리 장비를 보호하기 위해 상기 동력 생산 사이클로부터 제거되어야 한다. 이에 따라, 상승된 농도들의 황 및 질소를 생성하는 연소 유래의 가스에는 재순환 및/또는 배기 이전에 후처리 과정이 요구된다.
연소 이전에 연료들로부터 황 및/또는 질소를 제거하기 위한(즉, 전연소 제거 프로세스들) 또는 상기 동력 생산 사이클의 말단에서 배출되는 프로세스 가스로부터 추적 산성 가스들을 제거하기 위한(즉, 후연소 제거 프로세스들) 몇몇 프로세스들이 존재하지만, 천이 임계, 초임계 및/또는 극초임계의 동작 유체를 채용하는 동력 생산 사이클의 재순환 설계를 유리하게 활용하는 제거 프로세스에 대한 요구가 존재한다. 이와 같은 제거 시스템은 유리하게 상기 연료 내의 탄소에 대한 재순환된 CO2 농도들의 원하는 비율들로 상기 동력 생산 사이클 내로의 CO2의 재순환을 제공할 수 있다. 이와 같은 동력 생산 사이클은 이상적으로 제어된 낮은 농도의 불순물들 in 상기 재순환된 CO2 동작 유체 스트림 및/또는 생성물 CO2 스트림 내에 제어된 낮은 농도의 불순물들을 제공한다. 상기 불순물들은 효율적으로 지속될 수 있는 처리와 내부 장비의 보호를 가능하게 하는 형태로 제거될 수 있다. 이러한 제거 프로세스는 냉각, 응축 및 재순환된 동작 유체로부터의 오염 물질들의 제거와 같이 구축 및 유지하기에 상대적으로 덜 비싸고, 낮은 부차적인 불이익을 가지며, 간단한 제어 및 동작 계획을 채용하는 반-폐쇄 루프 프로세스 내에서 몇몇 프로세스 요구들을 이상적으로 수행할 수 있다.
여기에 전체적으로 참조로 포함되는 Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,580,206호에는 분자 산소 및 물의 존재 하의 상승된 압력에서 가스 CO2로부터 SO2 및/또는 NOX를 제거하는 방법이 개시되어 있다. 특히, 프로세스는 일산화질소(NO)가 이산화질소(NO2)를 형성하도록 반응물들의 상승된 분압에서 산화되는 일련의 기체 및/또는 액상 반응 단계들을 활용하도록 제공된다. 이러한 산화 프로세스는 상기 반응 순서의 전체적인 속도를 조절할 수 있다. 상기 NO2는 이후에 삼산화황(SO3)을 형성하도록 이산화황(SO2)을 산화시키며, 상기 NO2는 다시 NO로 환원된다. 상기 SO3는 이후에 황산(H2SO4)을 형성하도록 액체 물 내에 용해된다. 최종적인 결과는 촉매로서 NOX를 이용하는 H2SO4로의 SO2의 전환이다. 반응들의 순서는 다음에 열거되는 식들에 의해 설명된다.
2NO＋O2＝2NO2 식 A
SO2＋NO2＝SO3＋NO 식 B
SO3＋H2O＝H2SO4 식 C
실험 데이터는 이론적인 반응 계산들을 확인하였으며, 상기 NOX 농도가 100ppm 이상이고, 압력이 대략 10bar 이상이며, 산소 분압이 대략 0.1bar 또는 그 이상일 때에 상기 SO2 농도가 10초 이하 내에 매우 낮은 레벨들(예를 들어, 50ppm(몰) 미만)까지 감소될 수 있는 점을 나타낸다. 예를 들면, 여기에 전체적으로 참조로 포함되는 Murciano, L., White, V., Petrocelli, F. 및 Chadwick, D.의 "Sour compression process for removal of SOX and NOX from Oxyfuel-derived CO2"(Energy Procedia 4(2011) pp. 908-916); 및 White, V., Wright, A., Tappe, S. 및 Yan, J.의 "The Air Products Vattenfall Oxyfuel CO2 Compression and Purification Pilot Plant at SchwarzePumpe"(Energy Procedia 37(2013) 1490-1499)을 참조하기 바란다.
또한, 미국 특허 제8,580,206호에는 스팀을 생성하는 산소-연료 동력 보일러에 의해 제공되는 CO2를 주로 포함하는 스트림 내의 SO2 및/또는 NOX를 포함할 수 있는 하나 또는 그 이상의 오염물들을 제거하기 위한 이러한 알려진 순서의 반응들의 이용이 개시되어 있다. 특히, 상기 시스템은 분쇄 석탄 연소 스팀 보일러 및 순 생성물 CO2 리치 스트림을 제외하고 상기 연료 가스의 실질적으로 모두를 재순환시키는 산소-연료 연소 시스템을 포함한다. 상기 연료 가스는 순수한 O2 산화제 스트림과 혼합되고, 석탄 연소 연소기들로 제공되며, 연소기 단열 불꽃 온도에 적어도 부분적으로 기초하여 평형 레벨까지 강제되는 농도의 NOX를 가져온다. 상기 연소기 단열 불꽃 온도는 연도 가스 NOX 농도를 위한 평형 조건들 부근에 대략적으로 도달하기에 충분히 높을 수 있다. 동력 생산 내의 생산 스트림들로부터 오염 물질들, 특히 산성 가스들을 제거하기 위한 시스템들과 방법들에 대한 요구가 해당 기술 분야에 더 남아 있다.
본 발명은 동력 생산 사이클로부터 생성물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들을 제공한다.
본 발명은, 다양한 측면들에서, 동력 생산 사이클로부터 오염 물질들을 제거하기 위한 방법들 및 시스템들과 관련된다. 특히, 본 발명의 다양한 측면들은 직렬인 고효율 연소기 및 터빈과 고압의 재순환하는 동작 유체(working fluid)(예를 들어, 재순환하는 CO2 동작 유체)의 스트림(stream)을 포함하는 동력 생산 사이클로부터 산성 기체 오염 물질들을 제거하기 위한 시스템을 제공할 수 있다. 상기 시스템은 상기 고압의 재순환하는 동작 유체를 냉각시키도록 구성되는 제1 직접 접촉식 냉각탑(direct contact cooling tower)(예를 들어, 직접 접촉식 반응기(direct contact reactor) 물질 전달 칼럼)을 포함한다. 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑은 상기 냉각된 고압의 재순환하는 동작 유체로부터 SO2를 제거하는 유체 스트림을 응축시키도록 더 구성된다. 다른 측면에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑은 SO2를 제거하는 유체 스트림 및 원하는 경우, 상기 냉각된 고압의 재순환하는 동작 유체로부터 NOX의 일부를 응축시키도록 구성될 수 있다. 상기 시스템은 또한 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑과 유체 연통되는 제1 재순환 펌프를 포함한다. 또한, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑에 대한 유출은 냉각된 CO2 생성물 스트림을 분배하도록 구성된다. 상기 시스템은 또한 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑의 유출로부터 냉각된 CO2 생성물 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성되는 제2 직접 접촉식 냉각탑(예를 들어, 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼)을 포함한다. 일부 측면들에 따르면, 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑은 상기 냉각된 CO2 생성물 스트림이 동력 발생 시스템의 압축기 및/또는 펌프를 통해 순환된 후에 상기 냉각된 CO2 생성물 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성될 수 있다. 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑은 CO2 생성물 스트림을 냉각시키고, 상기 냉각된 CO2 생성물 스트림으로부터 NOX 및/또는 임의의 잔여 SOX를 제거하는 유체 스트림을 응축시킨다. 제2 재순환 펌프는 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑과 유체 연통된다.
또 다른 측면에 있어서, 동력 생산 사이클로부터 오염 물질들을 제거하기 위한, 특히 직렬인 고효율의 연소기 및 터빈과 고압의 재순환하는 동작 유체(예를 들어, 재순환하는 CO2 동작 유체)의 스트림을 사용하는 동력 생산 사이클로부터 산성 가스 오염 물질들을 제거하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 제1 직접 접촉식 냉각탑으로 도입되는 상기 고압의 재순환하는 동작 유체 내의 상기 NOX의 농도를 제어하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 고압의 재순환하는 동작 유체를 냉각시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 냉각된 고압의 재순환하는 동작 유체로부터 SO2를 제거하도록 구성되는 유체 스트림을 응축시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 CO2 생성물 스트림으로서 상기 냉각된 고압의 재순환하는 동작 유체를 추출하는 단계 및 상기 CO2 생성물 스트림을 재순환된 재순환하는 동작 유체 스트림 및 순(net) CO2 생성물 스트림으로 분리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 순 CO2 생성물 스트림을 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑에 제공하는 단계를 포함한다. 또한, 상기 방법은 순수한 물 스트림을 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑에 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 다양한 측면들에 있어서, 상기 방법은 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 순 CO2 생성물 스트림을 냉각시키는 단계 및 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내의 냉각된 순 CO2 생성물 스트림으로부터 NOX 및/또는 임의의 잔여 SOX를 제거하는 유체 스트림을 응축시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 또한 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 정제된 CO2 생성물 스트림을 추출하는 단계를 포함한다.
일 측면에 있어서, 상기 고압의 재순환하는 유체는 상기 재순환하는 CO2 동작 유체 및 복수의 연소 생성물들을 포함하는 고압의 고온 유체 스트림이 제공되도록 연소를 위해 연료 및 산화제와 함께 연소기 내로 도입될 수 있다. 연소 생성물들 및 재순환하는 CO2 동작 유체의 이러한 혼합물은 NOX 및 SO2와 같은 산성 가스들 그리고 수은(Hg)과 같은 다른 추적(trace) 불순물을 포함할 수 있다. 결과적인 유체 스트림은 터빈과 같은 동력 발생 장치 내로 도입될 수 있고, 터빈 배출 가스를 냉각시키면서 유입되는 고압의 재순환하는 CO2 동작 유체를 가열하는 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger)를 통한 유입되는 스트림에 대한 고온의 열회수가 수반된다.
일 측면에 있어서, 상기 동력 생산 사이클로 배기되기 이전에, 연소 유래의 물 및/또는 SO2 및 NOX와 같은 산성 가스 오염 물질들은 재사용을 위한 허용 가능한 격리 및/또는 파이프라인 생성물 사양들 및/또는 삼차 오일 회수를 위한 웰(well)들 내로의 CO2의 주입을 충족시키기 위해 제거될 수 있다. 상기 재순환된 CO2 재순환하는 동작 유체 스트림으로부터의 SO2 및/또는 NOX의 제거는 황산(H2SO4) 및/또는 질산(HNO3)과 같은 부식성의 수성 산들의 형성에 의해 야기되는 부식으로부터 시스템 구성 요소들을 더 보호할 수 있다.
일부 측면들에 따르면, 응축된 물을 제거하기 위해 상기 전열식 열교환기를 떠나는 CO2 동작 유체를 충분히 낮은 온도까지 냉각시키고, 원하는 재순환 압력까지 상기 재순환된 CO2 동작 유체의 효율적인 압축 및 펌핑을 제공하는 것이 바람직할 수 있다. 또한, 여기에 기재되는 바와 같은 원하는 순도 사양들을 가지는 CO2 생성물 스트림으로서 연소 사이클로부터 형성되는 CO2를 제거하는 것이 바람직할 수 있다.
일부 측면들에 있어서, 시스템은 두 증기/액체 다단 접촉 장치(contacting device)들(예를 들어, 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼들)을 포함할 수 있다. 상기 제1 직접 접촉식 반응이 물질 전달 칼럼은 직접 접촉식 CO2 가스 냉각기 및 산성 가스 제거 장치로 기능할 수 있다. 상기 제1 칼럼은 보다 낮은 압력의 CO2 스트림 내에 남아 있는 수증기의 대부분이 상기 CO2 가스가 대기 온도 부근까지 냉각됨에 따라 냉각되는 주요 재순환 프로세스 내에 구현될 수 있다. 여기에 기재된 촉매 기체 및 액체 반응들은 이러한 제1 칼럼 내에서 일어날 수 있다. 특히, 상기 촉매 반응들은 적어도 0.1bar의 분압을 갖는 과잉의 산소가 나가고, NOX의 실질적인 농도(즉, 적어도 100ppm)가 존재할 때에 일어날 수 있다. 또한, 기체 대 액상의 물 사이의 접촉의 레벨이 충분하고, 적절한 체류 시간이 완료까지 진행되는 H2SO4로의 SO2의 전환을 수반하는 반응들에 대해 제공될 때에 상기 촉매 반응들이 상기 제1 칼럼 내에서 일어날 수 있다.
일부 측면들에 따르면, 제2 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼은 상기 재순환 프로세스로부터 계속하여 배기되는 상기 순 CO2 생성물 스트림의 처리를 제공할 수 있다. 상기 순 CO2 생성물 스트림은 약 50ppm 아래의 SO2 농도를 가질 수 있다. 또한, 상기 순 CO2 생성물 스트림은 상승된 NOX 농도를 가질 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 순 CO2 생성물 스트림이 최종적인 가스 생성물로서 수집되기 전에 상기 NOX 농도를 약 20ppm 아래로, 바람직하게는 약 10ppm 아래로 낮추는 것이 바람직할 수 있다.
본 발명의 다양한 측면들에서의 중요한 인자는 상기 터빈 내 및 상기 전열식 열교환기 배출 스트림 내에 NOX의 높은 농도를 유지하는 것이며, 이는 NOX의 많은 부분이 상기 재순환하는 유체 내에 유지되어야 하는 것을 의미한다. 상기 터빈 및 전열식 열교환기 배출 스트림 내에 NOX의 원하는 높은 농도를 유지하는 것은 최소의 체류 시간 내에 상기 제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼 내에서 상기 일련의 촉매 기체 반응들의 완료를 제공할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 제1 칼럼 내의 반응 조건들이 적절하게 낮은 SO2 농도를 갖는 출구 스트림 및 상기 스트림으로부터의 임의의 NOX의 제거를 제한하도록 임의의 NOX가 산소 및 물과 반응하기 위한 제한된 양의 시간을 제공하기 위해 조정됨에 따라 NOX의 농도가 상기 스트림 내에서 상승된 원하는 레벨들로 유지된다. 이와 같이, 상기 제1 칼럼 내에서 HNO3으로 전환되는 NOX의 양은 최소로 유지된다. 일부 측면들에 있어서, 상기 제1 칼럼을 나가는 고압의 재순환된 CO2 생성물 스트림 내의 약 10% 이하의 NOX가 HNO3으로 전환된다. 또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 칼럼을 나가는 고압의 재순환된 CO2 생성물 스트림 내의 약 5% 이하의 NOX가 HNO3으로 전환된다. 상기 제1 칼럼 내의 HNO3으로의 NOX의 제한된 전환은 실질적으로 H2SO4를 포함하는 상기 제1 칼럼으로부터의 제1 출구 스트림 및 실질적으로 NOX의 높은 농도를 갖는 고압의 재순환된 CO2 스트림을 포함하는 상기 제1 칼럼으로부터의 제2 출구 스트림을 가져올 수 있다.
일부 측면들에 있어서, 상기 동력 생산 사이클은 연료 연소 섹션 내에 NOX의 추가적인 생산을 제공할 수 있고, 여기서 순수한 산소 공급이 통상적으로 약 15%-35%(몰)의 O2 조성 및 대략 1800℃ 내지 대략 2500℃의 범위 내의 단열 연소 온도를 제공하도록 CO2로 희석된다. 상기 재순환된 CO2 동작 유체 스트림은 이후에 대략 1150℃의 통상적인 혼합 온도를 제공하도록 상기 연소기 내에서 상기 연소 생성물들과 혼합될 수 있으며, 이는 혼합된 터빈 유입 스트림 내의 NOX의 어떠한 상당한 형성이나 파괴를 야기하지 않을 수 있다. 상기 혼합된 터빈 유입 스트림 내의 이러한 NOX의 상당한 형성 및/또는 파괴의 부존재는 본 발명의 다양한 측면들의 하나의 특징이 되며, 이는 구체적으로는 상기 동작 유체로 CO2를 사용하는 동력 생산 사이클들을 대상으로 한다. 이러한 동력 생산 사이클들은 연소 후 및 상기 동력 터빈을 나가는 결합된 스트림 이전에 상기 연소 생성물들과 혼합되는 많은 양의 예열된 고압의 CO2를 재순환시킨다.
여기에 기재된 다양한 측면들은 상기 재순환 CO2 스트림 내의 상기 NOX의 농도의 독립적인 제어를 제공한다. 상기 NOX 농도의 이러한 독립적인 제어는 상기 제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼 내의 접촉 체류 시간 및 크기의 최소화를 가능하게 하며, 이는 상기 제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼 내의 상기 순 CO2 생성물 스트림으로부터 제거되는 질산으로 손실되는 석탄 연소 동력 생산 사이클에 대해 대략 3% 내지 20%와 같은 작은 부분에만 실질적으로 일정하게 남도록 상기 저압의 CO2 스트림 내의 NOX의 농도를 제공할 수 있다. 작은 양의 NOX의 손실은 상기 동력 생산 사이클 연소기 내에 형성되는 작은 양의 NOX에 의해 및/또는 일부 측면들에서, 촉매에 대한 암모니아 산화를 이용할 수 있는 NOX 발생기에 의해 보상될 수 있다. 상기 터빈을 통한 통과는 또한 NOX의 농도의 변화 없이 대략 750℃까지의 온도 강하를 제공할 수 있다. 상기 제2 접촉기 내에서 질산을 형성하는 알려진 일련의 반응들은 다음과 같다.
2NO＋O2＝2NO2 식 D
2NO2＋H2O＝HNO2＋HNO3 식 E
3HNO2＝HNO3＋2NO＋H2O 식 F
상기 제2 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼을 나가는 생성물 가스는 이에 따라 SO2 및 NOX가 실질적으로 없다. 일부 측면들에 있어서, 상기 H2SO4는 계속하여 교반되는 탱크 반응기 내에서 H2SO4를 석회암과 반응시켜 황산칼륨 이수화물(calcium sulfate dihydrate)(CaSO4ㆍ2H2O)으로 구성되는 연질의 황산염 광물인 석고로 쉽게 전환될 수 있으며, 이는 탈수 후에 상업적인 사용이나 처리를 위해 여과될 수 없는 고체 석고 생성물의 형성을 가져올 수 있다. 질산의 상대적으로 높은 농도를 가지는 상기 제2 칼럼은 상기 수은을 질산과 함께 질산제이수은(mercuric nitrate)으로 직접 전환시켜 수은을 제거할 수 있다.
본 발명의 다양한 측면들은 상기 동작 유체로서 재순환된 CO2를 사용하는 동력 생산 사이클의 동력 터빈을 나가는 전체 연소 생성물들로부터 SO2의 양을 분리시키기 위한 일련의 알려진 반응들의 활용을 제공한다. 일 측면은 실질적으로 SO2 오염이 없는 상기 동력 생산 사이클의 전열식 열교환기로 들어가는 고압의 재순환 CO2 스트림을 제공할 수 있다. 다른 측면은 SO2 및 NOX 모두의 오염이 실질적으로 없는 상기 동력 생산 사이클로부터 생성물 CO2 스트림을 제공할 수 있다. 또한, 상기 동력 생산 사이클로부터의 생성물 CO2 스트림은 주요 연료로부터 유래되는 수은이 실질적으로 없을 수 있다.
본 발명의 측면들은 증가된 황, 질소 및/또는 다른 연료 유래의 불순물들을 함유하는 연료들을 활용하고, 실질적으로 완전한 이들 불순물들의 제거로 동작하도록 재순환하는 회수된 산소 연소, 천이 임계의 CO2 동력 생산 사이클들을 가능하게 하는 오염 물질을 제거하기 위한 시스템을 제공한다. 이들 오염 물질들의 실질적으로 완전한 제거는 내부 처리 장비를 보호하며, 궁극적으로는 다른 프로세스/사이클 목적들을 수행하기 위한 효율적인 기능성을 제공하면서 SO2, NOX, Hg 및/또는 다른 불순물들이 실질적으로 없는 생성물 CO2 스트림을 제공한다.
또 다른 측면에 따르면, 동력 발생 시스템으로부터 SO2와 질소 산화물들인 NO 및 NO2의 제거를 위한 방법이 제공된다. 상기 동력 발생 시스템은 적어도 H2S, NH3, HCNH2 및/또는 COCH4를 함유하는 가스 형태의 연료가 연소 가스들의 혼합이 수반되어 순수한 O2로 연소되는 연소기를 가지는 열회수식 브레이턴(Brayton) 사이클 내에 상기 동작 유체로서 CO2를 사용할 수 있고, 이는 이제 상기 브레이턴 동력 사이클의 전열식 열교환기 내에서 가열되었던 보다 낮은 온도의 CO2 재순환 스트림과 함께 SO2 및/또는 NO의 산화된 성분들을 함유한다. 상기 결합된 스트림은 이후에 상기 전열식 열교환기를 통해 가열되는 상기 CO2 재순환 스트림을 배출하는 동력을 생산하는 터빈을 통과한다. 상기 SO2 제거는 NO 및 O2 사이의 반응들에 의해 구현될 수 있고, NO2와 SO2의 반응이 수반되어 NO2를 형성할 수 있으며, SO3을 형성하고 상기 NO를 재생시킬 수 있으며, H2SO4를 형성하도록 SO3 및 H2O의 반응이 수반될 수 있다. 상기 SO2의 제거에 후속하는 NO 및 NO2 제거는 NO2를 형성하도록 O2로 산화된 NO 및 HNO2 및/또는 HNO3을 형성하는 물 사이의 반응들에 의해 구현될 수 있으며, HNO3으로의 HNO2 및 NO 플러스 물의 전환이 수반될 수 있다. 상기 방법은 상기 SO2 레벨이 약 50ppm 아래로 감소되고, 공급 스트림 내의 약 10% 이하의 NO가 질산으로 전환되는 제1 증기/액체 다단 접촉 유닛 내에서 상기 SO2 제거 반응들을 동작시키는 것으로 특징지어질 수 있다. 다른 측면에 있어서, 상기 방법은 상기 SO2 레벨이 약 50ppm 아래로 감소되고, 상기 공급 스트림 내의 약 5% 이하의 NO가 질산으로 전환되는 제1 증기/액체 다단 접촉 유닛 내에서 상기 SO2 제거 반응들을 동작시키는 것으로 특징지어질 수 있다. 또한, 상기 방법은 SO2의 제거 및 요구되는 값들로 유지되는 상기 제1 액체/증기 다단 접촉 유닛 내의 질산의 손실을 가능하게 하는 레벨로 상기 제1 액체/증기 다단 접촉 유닛으로 공급되는 상기 CO2 내에 제어된 질소 산화물 농도를 유지하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 연소기 NOX 형성으로부터의 신선한 NO의 추가에 의해 상기 제1 액체/증기 다단 접촉 유닛에 대한 유입에서 상기 질소 산화물 농도를 제어하는 단계, 외부 소스로부터 추가적인 질소 산화물들을 추가하고, 상기 질소 산화물 농도를 축적 효과를 통해 원하는 값까지 상승시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 약 500℃ 내지 약 800℃의 온도의 상기 고압의 CO2 재순환 스트림을 약 900℃ 내지 약 1200℃의 터빈 유입에서의 혼합 온도를 가겨오는 연소 생성물들과 혼합하여 상기 제1 액체/증기 다단 접촉 유닛에 대해 냉각 후에 상기 유입 스트림을 형성하여, 상기 연소기를 나가는 NOX의 양에서 5% 이하의 변화가 존재하는 터빈 배출 내에 상기 질소 산화물 농도를 유지하고 제어하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 제1 액체/증기 다단 접촉 유닛을 나가는 가스 스트림으로부터 상기 순 CO2 생성물 스트림을 수득하는 단계 및 상기 순 CO2 생성물 가스들로부터의 질소 산화물들의 제거가 약 25ppm 이하가 되게 하도록 충분히 큰 체류 시간을 가지는 제2 항류의 기체/액체 접촉기로 상기 순 CO2 생성물 스트림을 통과시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 펌프 및 냉각기를 포함하는 액체 펌프를 구비하는 각 접촉 유닛/접촉기를 제공하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 환류(reflux) 액체 스트림과 함께 각 접촉 유닛/접촉기가 제공된다. 상기 방법은 또한 원하는 낮은 레벨의 HNO3 형성과 함께 원하는 SO2의 제거를 구현하기 위하여 상기 제1 액체/증기 다단 접촉 유닛 내에서 상기 반응을 제어하도록 상기 제1 액체/증기 다단 접촉 유닛에 대해 변화되는 액체 환류 속도 및 변화되는 상기 질소 산화물 유입 농도의 결합을 이용하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 순 CO2 생성물 스트림 내에 질소 산화물들의 원하는 낮은 농도를 구현하기 위하여 상기 제2 항류의 기체/액체 접촉기 내의 상기 환류 속도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 방법은 특히 동력 생산 사이클에 의해 생성되는 생성물 스트림으로부터 산성 가스를 제거하는 구성에 관련된다. 상기 동력 생산 사이클 스트림은 재순환된 CO2 동작 유체를 이용하는 동력 생산 사이클로부터의 스트림이 될 수 있고, 상기 스트림은 구체적으로 동력 생산을 위해 선택적으로 팽창되었고 및/또는 그 온도를 감소시키도록 전열식 열교환기를 통과하였던 연소 생성물 스트림이 될 수 있다. 적합한 동력 생산 사이클들(이를 이용하는 시스템들 및 방법들을 포함하여)은 개시 사항들이 여기에 참조로 포함되는 Palmer 등에게 허여된 미국 특허 제9,068,743호, Allam 등에게 허여된 미국 특허 제9,062,608호, Palmer 등에게 허여된 미국 특허 제8,986,002호, Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,959,887호, Palmer 등에게 허여된 미국 특허 제8,869,889호, Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,776,532호, 그리고 Allam 등에게 허여된 미국 특허 제8,596,075호에 개시되어 있다.
일부 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 방법은 다음의 단계들을 포함할 수 있다.
동력 생산 사이클을 수행하는 단계;
CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 상기 동력 생산 사이클로부터 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하는 단계;
상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 제1 항류의 순환하는 수성 액체 스트림과 접촉시키는 단계;
상기 수성 액체 스트림의 존재에서 상기 생성물 스트림 내의 상기 SO2 및 NO2 사이의 반응을 통해 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 생성물 스트림 내에 존재하는 SO2의 적어도 일부를 제거하는 단계;
상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 취출하는 단계; 및
상기 재순환 스트림 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 동력 생산 사이클 내로 다시 전달하는 단계.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 앞서 기술한 바와 같은 방법은 다음의 사항들의 하나 또는 그 이상을 포괄할 수 있으며, 사항들은 임의의 숫자와 순서로 결합될 수 있다.
상기 제1 항류의 순환하는 수성 액체 스트림은 H2SO4를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 제1 항류의 순환하는 수성 액체 스트림은 포함되는 H2SO4의 함량을 갖는 물의 스트림이 될 수 있다.
상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림은 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림의 전체 질량을 기준으로 적어도 10ppm의 NOX를 함유할 수 있다. 여기서 더 설명하는 바와 같이, 상기 생성물 스트림은 바람직하게는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 SO2의 제거를 가증하기 하기 위해 적어도 이러한 함량의 NOX를 포함한다.
상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림은 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림의 전체 질량을 기준으로 적어도 15ppm, 적어도 20ppm, 또는 적어도 25ppm의 NOX를 함유할 수 있다. 이러한 범위들은 다른 반응 조건들에 기초하여 계산될 수 있는 상한을 포함하는 것으로 이해된다. 예를 들면, 상한은 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림의 전체 질량을 기준으로 200ppm, 500ppm, 1000ppm, 또는 5000ppm이 될 수 있다.
상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림은 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림의 전체 질량을 기준으로 약 10ppm 내지 약 1000ppm, 약 12ppm 내지 약 750ppm, 또는 약 15ppm 내지 약 500ppm의 NOX를 함유할 수 있다. 원할 경우, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림의 전체 질량을 기준으로 약 10ppm 내지 약 150ppm 또는 약 10ppm 내지 약 100ppm의 NOX의 범위와 같이 보다 좁은 범위도 이용될 수 있다.
상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX 농도는 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 50질량% 이하의 NOX가 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내에서 HNO3으로 전환되게 하는 범위 내로 조절될 수 있다. 상기 NOX 농도 범위들은 특히 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내에서 HNO3으로의 NOX의 과도한 전환을 방지하는 데 유용할 수 있다. 바람직하게는, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 25질량% 이하, 20질량% 이하, 15질량% 이하, 10질량% 이하, 5질량% 이하, 또는 1질량% 이하의 NOX가 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내에서 HNO3으로 전환된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내에서 HNO3으로 전환되는 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX는 실질적으로 없다. 이러한 실시예들에 있어서, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 0질량%에서 0.5질량%까지의 NOX를 포함하는 것으로 이해된다.
상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 취출되는 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 도입되는 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내에 존재하는 적어도 90질량%의 NOX를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 취출되는 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 도입되는 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내에 존재하는 적어도 50질량%, 적어도 75질량%, 적어도 90질량%, 적어도 95질량%, 적어도 98질량%, 또는 적어도 99질량%의 NOX를 포함할 수 있다.
상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 취출되는 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 실질적으로 SO2를 포함하지 않을 수 있으며, 여기서 "실질적으로 없는" SO2는 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 전체 질량을 기준으로 5ppm 이하와 같은 미량을 포함하는 것으로 이해된다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 취출되는 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 전체 질량을 기준으로 100ppm 이하, 50ppm 이하, 25ppm 이하, 또는 15ppm 이하의 양으로 SO2를 함유할 수 있다.
상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX의 농도는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 NOX를 추가하여 조정될 수 있다. 예를 들면, NOX는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 연소기 내에서 질소 소스를 연료 및 산화제와 결합하여 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 추가될 수 있다. 다른 예로서, NOX는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림에 직접 추가될 수 있다. 보다 상세하게는, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림에 직접 추가되는 상기 NOX는 촉매 반응기 내에서와 같이 암모니아로부터 발생될 수 있다. 그러나, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 적절한 양의 NOX는 충분한 양의 질소를 함유하는 연료의 활용을 통해 구현될 수 있는 것으로 이해된다.
상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX의 농도는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 생성물 스트림을 수용하고, 상기 액체 생성물 스트림을 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 재순환시키도록 구성되는 제1 재순환 펌프로부터 배출 흐름을 증가시키거나 감소시켜 조정될 수 있다.
상기 방법은 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림 내의 NOX의 적어도 일부가 상기 동력 생산 사이클 내로 다시 안내되도록 구성될 수 있다.
상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 및 순 CO2 생성물 스트림 내로 다시 안내되는 재순환하는 동작 유체 스트림 내로 분리될 수 있다.
상기 방법은 다음의 단계들을 더 포함할 수 있다.
상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하는 단계;
상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 제2 항류의 순환하는 수성 액체 스트림과 접촉시키는 단계;
상기 NO2 및 물 사이의 반응을 통해 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림으로부터 NO2의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
상기 제2 개방 냉각탑으로부터 CO2를 함유하는 스트림을 취출하는 단계.
상기 제2 항류의 순환하는 수성 액체 스트림은 HNO3을 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하기 전에 O2를 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림에 추가하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 방법은 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하기 전에, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 상기 동력 생산 사이클 내에서 압축기를 사용하여 압축시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하기 전에, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 내의 압축기를 사용하여 더 압축될 수 있다.
상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 및 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로 안내되는 순 생산 부분 내로 다시 안내되는 재순환하는 부분 내로 분리될 수 있다.
전술한 바로부터 명백한 바와 같이, 본 발명은 동력 생산 사이클에 의해 생성되는 생성물 스트림으로부터 산성 가스를 제거하기 위해 구성되는 시스템과 더 관련된다. 이러한 시스템은 여기에 기재된 방법들에 따른 사용을 위해 적합할 수 있는 것으로 기재되는 바와 같은 임의의 요소를 포함할 수 있다. 하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 본 발명에 따른 시스템은 다음을 포함할 수 있다.
동력 생산 사이클의 구성 요소로부터 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 전달하도록 구성되는 전달 요소;
SO2의 적어도 일부가 그로부터 제거되고 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림이 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 생산되는 반응 조건들 하에서 상기 동력 생산 사이클의 구성 요소로부터 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 수용하도록 구성되는 제1 직접 접촉식 냉각탑;
상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 스트림을 수용하고, 상기 액체 스트림의 적어도 일부를 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로 재순환시키도록 구성되며, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑과 유체 연통되는 제1 재순환 펌프; 및
상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 동력 생산 사이클의 구성 요소로 전달하도록 구성되는 전달 요소.
하나 또는 그 이상의 실시예들에 있어서, 앞서 설명한 바와 같은 시스템은 다음 사항들의 하나 또는 그 이상을 포괄할 수 있으며, 사항들은 임의의 숫자나 순서로 결합될 수 있다.
상기 시스템은 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림 내의 NO2의 적어도 일부가 그로부터 제거되고, CO2를 함유하는 스트림이 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 생산되는 반응 조건들 하에서 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성되는 제2 직접 접촉식 냉각탑을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 스트림을 수용하고, 상기 액체 스트림의 적어도 일부를 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로 재순환시키도록 구성되며, 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑과 유체 연통되는 제2 재순환 펌프를 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림이고, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 다운스트림(downstream)에 위치하는 O2 투입을 더 포함할 수 있다.
상기 시스템은 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림이고, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 다운스트림에 위치하는 압축기를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 제한되지 않고 다음의 실시예들을 포함한다.
실시예 1: 동력 생산 사이클에 의해 생성되는 생성물 스트림으로부터 산성 가스들을 제거하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은 동력 생산 사이클을 수행하는 단계; CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 상기 동력 생산 사이클로부터 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하는 단계; 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 제1 항류(counter-current)의 순환하는 수성 액체 스트림과 접촉시키는 단계; 상기 수성 액체 스트림의 존재에서 상기 생성물 스트림 내의 상기 SO2 및 NO2 사이의 반응을 통해 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 생성물 스트림 내에 존재하는 SO2의 적어도 일부를 제거하는 단계; 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 취출하는 단계; 및 상기 재순환 스트림 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 동력 생산 사이클 내로 다시 전달하는 단계를 포함한다.
실시예 2: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 제1 항류의 순환하는 수성 액체 스트림은 H2SO4를 포함한다.
실시예 3: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림은 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림의 전체 질량을 기준으로 적어도 10ppm의 NOX를 함유
실시예 4: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX 농도는 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 50질량% 이하의 NOX가 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내에서 HNO3로 전환되게 하는 범위 내로 조절된다.
실시예 5: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 취출되는 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 도입되는 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내에 존재하는 적어도 90질량%의 NOX를 포함한다.
실시예 6: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 취출되는 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 실질적으로 SO2를 포함하지 않거나. 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 전체 질량을 기준으로 50ppm 이하의 양으로 SO2를 함유한다.
실시예 7: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX의 농도는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 NOX를 추가하여 조정된다.
실시예 8: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 NOX는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 연소기 내에서 질소 소스를 연료 및 산화제와 결합하여 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 추가된다.
실시예 9: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 NOX는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림에 직접 추가된다.
실시예 10: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림에 직접 추가되는 상기 NOX는 암모니아로부터 발생된다.
실시예 11: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX의 농도는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 생성물 스트림을 수용하고, 상기 액체 생성물 스트림을 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 재순환시키도록 구성되는 제1 재순환 펌프로부터 배출 흐름을 증가시키거나 감소시켜 조정된다.
실시예 12: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림 내의 NOX의 적어도 일부는 상기 동력 생산 사이클 내로 다시 안내된다.
실시예 13: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 및 순(net) CO2 생성물 스트림 내로 다시 안내되는 재순환하는 동작 유체 스트림 내로 분리된다.
실시예 14: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하는 단계; 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 제2 항류의 순환하는 수성 액체 스트림과 접촉시키는 단계; 상기 NO2 및 물 사이의 반응을 통해 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림으로부터 NO2의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및 상기 제2 개방 냉각탑으로부터 CO2를 함유하는 스트림을 취출하는 단계를 더 포함한다.
실시예 15: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 제2 항류의 순환하는 수성 액체 스트림은 HNO3을 포함한다.
실시예 16: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하기 전에 O2를 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림에 추가하는 단계를 더 포함한다.
실시예 17: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하기 전에, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 내에서 압축기를 사용하여 압축된다.
실시예 18: 임의의 이전의 실시예의 방법에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 및 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로 안내되는 순 생산 부분 내로 다시 안내되는 재순환하는 부분 내로 분리된다.
실시예 19: 동력 생산 사이클에 의해 생성되는 생성물 스트림으로부터 신성 가스를 제거하기 위한 시스템에 있어서, 상기 시스템은 동력 생산 사이클의 구성 요소로부터 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 전달하도록 구성되는 전달 요소; SO2의 적어도 일부가 그로부터 제거되고 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림이 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 생산되는 반응 조건들 하에서 상기 동력 생산 사이클의 구성 요소로부터 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 수용하도록 구성되는 제1 직접 접촉식 냉각탑; 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 스트림을 수용하고, 상기 액체 스트림의 적어도 일부를 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로 재순환시키도록 구성되며, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑과 유체 연통되는 제1 재순환 펌프; 및 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 동력 생산 사이클의 구성 요소로 전달하도록 구성되는 전달 요소를 포함한다.
실시예 20: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 시스템에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림 내의 NO2의 적어도 일부가 그로부터 회수되고, CO2를 함유하는 스트림이 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 생산되는 반응 조건들 하에서 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성되는 제2 직접 접촉식 냉각탑; 및 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 스트림을 수용하고, 상기 액체 스트림의 적어도 일부를 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로 재순환시키도록 구성되며, 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑과 유체 연통되는 제2 재순환 펌프를 더 포함한다.
실시예 21: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 시스템에 있어서, 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림이고, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 다운스트림에 위치하는 O2 투입을 더 포함한다.
실시예 22: 임의의 이전 또는 이후의 실시예의 시스템에 있어서, 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림이고, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 다운스트림에 위치하는 압축기를 더 포함한다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들, 측면들 및 이점들은 아래에 간략히 설명되는 첨부된 도면들과 함께 다음의 상세한 설명의 이해로부터 명확해질 것이다. 본 발명은 전술한 실시예들의 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 임의의 조합뿐만 아니라 본 명세서에서 설시되는 임의의 둘, 셋, 넷 또는 그 이상의 특징들이나 요소들의 결합들을 이러한 특징들이나 요소들이 여기서의 특정 실시예의 설명에서 명백하게 결합되는 지에 관계없이 포괄한다. 본 발명은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한, 본 발명의 임의의 분리 가능한 특징들이나 요소들이 도시되는 그 다양한 측면들 및 실시예들의 임의의 것으로 결합 가능하게 의도된 바와 같이 전체적으로 이해되어야 하는 것으로 의도된다.
위에서 일반적인 용어들로 본 발명을 설명하였지만, 이하에서 반드시 일정한 비율로는 도시되는 않은 첨부된 도면이 참조될 것이며, 첨부된 도면들에 있어서,
도 1a는 본 발명의 일 측면에 따라 고압의 재순환하는 유체와 함께 직렬로 결합되는 고효율의 연소기 및 터빈을 포함하며, 시스템으로부터 산성 가스 오염 물질들을 제거하도록 구성되는 동력 발생 시스템의 개략적인 흐름도를 예시하고,
도 1b는 본 발명의 일 측면에 따라 고압의 재순환하는 유체와 함께 직렬로 결합되는 고효율의 연소기 및 터빈을 포함하며, 시스템으로부터 산성 가스 오염 물질들을 제거하도록 구성되는 동력 발생 시스템의 개략적인 흐름도를 예시하며,
도 2는 본 발명의 일 측면에 따라 제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼에 대한 입구에서의 NO의 농도 레벨들을 증가시키는 것에 대하여 각각의 상기 제1 및 제2 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼들 내의 SOX 및 NOX의 제거 시간의 도식적 표현을 예시하고,
도 3은 본 발명의 일 측면에 따라 제2 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼에 내의 원하는 NO 유출 농도에 대하여 전체 SOX 제거 후의 NOX 제거의 체류 시간의 도식적 표현을 예시한다.
이하, 본 발명을 그 예시적인 실시예들을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이들 예시적인 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지며, 본 발명의 주제의 범주를 해당 기술 분야의 숙련자에게 완전히 전달하도록 설명되는 것이다. 실제로, 본 발명의 주제는 많은 다른 형태들로 구현될 수 있으며, 여기에 설시되는 실시예들에 한정되는 것으로 간주되지 않아야 한다. 오히려 이들 실시예들은 본 발명이 적용될 수 있는 법률적인 요구 사항들을 충족시키도록 제공되는 것이다. 본 명세서에 사용되는 바에 있어서, "일", "하나", "한" 등의 단수 표현은 본문에 명백하게 다르게 기재되지 않는 한 복수의 대상들을 포함한다.
본 발명은 동력 발생 시스템(power generation system)으로부터 오염 물질들을 제거하도록 구성되는 동력 발생 시스템과 관한 것이다. 도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 동력 발생 시스템(18, 19)으로부터 특정한 산성 가스들을 제거하기 위한 시스템(50)은 상기 동력 발생 시스템(18, 19)으로부터 특정한 산성 가스 오염 물질들(예를 들어, SOX, NOX 및/또는 이와 유사한 것)을 제거하도록 구성될 수 있다. 도 1a 및 도 1b에서, 블록(19)은 동력 발생 시스템의 일반 구성 요소들을 예시하며, 일 측면에서, 연소기(combustor), 터빈(turbine) 및 열교환기(heat exchanger)를 포함할 수 있다. 마찬가지로, 블록(18)은, 예를 들면, 압축기(compressor) 및/또는 펌프와 같은 동력 발생 시스템의 통상적인 일반 구성 요소들을 예시한다. 상기 동력 발생 시스템(18, 19)은, 예를 들면, 탄화수소 연료 가스와 같은 연료 가스를 사용할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 사용되는 연료는 처리되지 않거나 최소로 처리된 사워(sour) 또는 메탄 및 보다 긴 사슬의 탄화수소 분자들을 함유하는 당화되지 않은 가스 이외에도 황, 질소 및/또는 모두 환원된 형태인 황화수소(H2S), 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS), 이황화탄소(CS2), 암모니아(NH3), 시안화수소(HCN) 및/또는 수은(Hg)을 포함할 수 있는 다른 연소 유래 불순물들로 여겨질 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 동력 발생 시스템(18, 19)은 모두 환원된 형태인 황화수소(H2S), 황화카르보닐(COS), 이황화탄소(CS2), 암모니아(NH3), 시안화수소(HCN) 및/또는 수은(Hg)을 포함할 수 있는 불순물들과 함께 대부분으로 일산화탄소 및 수소를 포함하는 연료 가스를 사용할 수 있다.
상기 연료 가스는 임의의 알려진 방법으로 생성될 수 있다. 예시의 목적만을 위한 예로서, 상기 연료 가스는 상기 동력 생산 사이클에 대한 열전달의 연료 가스 냉각에 수반하는 완전한 재(ash) 제거, 응축된 물 제거 및 예를 들면, 대략 320bar의 압력으로의 연료 가스 압축과 함께 GE-텍사코(Texaco) 수중 급랭 가스화 장치(gasifier)와 같은 산소 기반의 석탄 가스화 장치 내에서 생성될 수 있다.
상기 연료 가스(앞서 예시한 바와 같이 형성되거나, 전술한 바와 같은 처리되지 않거나 최소로 처리된 사워 또는 당화되지 않은 가스인지 관계없이)는 바람직하게는 O2 및 CO2의 결합(일부 실시예들에 있어서, 대략 25%의 O2 및 75%의 CO2(몰)의 혼합물)인 산화제를 포함하는 스트림(stream)으로 상기 동력 발생 시스템의 연소기 내에서 연소된다. 이는 CO2, H2O 및 O2를 포함하는 연소 생성물을 야기한다. 바람직하게는, 상기 연소 생성물 스트림은 2%(몰)의 과잉 O2를 포함한다. 상대적으로 많은 양의 재순환된 CO2(예를 들어, 대략 300bar의 압력 및 대략 720℃의 온도에서)는 결합된 연소 생성물 스트림(예를 들어, 대략 1150℃의 온도 및 대략 300bar의 압력에서)을 생성하도록 상기 연소 생성물과 혼합된다(예를 들어, 상기 연소기 내에서). 이러한 연소 생성물 스트림은 상기 동력 발생 시스템 터빈을 통과하면서 압력이 감소(예를 들어, 대략 750℃의 배출 온도로 대략 30bar까지)된다. 상기 스트림은 이후에 전열식 열교환기(recuperative heat exchanger) 내에서 가열하는 재순환 CO2 스트림에 대해 후속하여 냉각된다. 전술한 바가 예시적인 세트의 처리 조건들을 제공하며, 온도들, 압력들 등이 필요에 따라 조정될 수 있는 점이 이해될 것이다.
스트림(4)은 실질적으로 감소된 온도(예를 들어, 약 65℃) 및 압력(예를 들어, 약 29bar)에서 블록(19) 내의 전열식 열교환기의 저온 단부(cold end)를 떠난다. 이 경우, 상기 스트림의 조성은 증기 상으로 남아 있는 일부 양과 함께 실질적으로 액상(예를 들어, 약 85중량%)인 다량의 물(H2O)과 함께 대부분이 CO2이다. 또한, 상기 스트림(4)은 상기 연료 가스 내의 불순물들의 산화로부터 유래되는 수은(Hg)과 같은 다른 추적 성분들과 함께 황 및 질소의 산화된 화합물들(SOX 및 NOX)을 함유한다.
상기 블록(19)을 나가는 연소 생성물 스트림은 소정의 함량의 NOX를 포함할 수 있거나, NOX가 실질적으로 없을 수 있다. 상기 NOX 함량이 여기에 더 설명되는 바와 같이 SOX와 반응하기 위해 충분히 높도록 스트림(4) 내의 상기 NOX 함량을 조절하는 것이 바람직하다. 다양한 실시예들에 있어서, 제1 직접 접촉식 반응기(direct contact reactor) 물질 전달 칼럼(mass transfer column)(30)(다음에 설명하는 바와 같은)으로 들어가는 상기 연소 생성물 스트림(예를 들어, 스트림(4))은 특히 CO2, SOX 및 NOX를 포함할 수 있다. SOX라는 용어가 임의의 산화황의 존재를 나타내며, 구체적으로 다르게 나타내지 않는 한(특히 SO2를 포함하는 스트림을 함유하는 SOX로 언급하는 바와 같이) 특정한 황산화물에 한정되지 않는 점이 이해될 것이다. SOX를 함유하는 스트림은 단일의 황산화물 종 또는 황산화물 종들의 혼합물을 함유할 수 있다. 마찬가지로, NOX라는 용어가 임의의 질소 산화물의 존재를 나타내며, 구체적으로 다르게 나타내지 않는 한(특히 NO2를 포함하는 NOX를 함유하는 스트림으로 언급하는 바와 같이) 특정한 질소 산화물에 한정되지 않는 점이 이해될 것이다. NOX를 함유하는 스트림은 단일의 질소 산화물 종 또는 질소 산화물 종들의 혼합물을 함유할 수 있다. 산성 가스 제거에 대한 언급은 특히 SOX 및 NOX의 하나 또는 모두의 제거를 나타낼 수 있다.
도 1a 및 도 1b에 도시한 바와 같이, 산성 가스 오염 물질 제거 시스템(50)과 함께 상기 동력 발생 시스템(18, 19)은 두 개의 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼들을 포함할 수 있다. 제1 물질 전달 칼럼(30)은 순(net) CO2 생성물 스트림으로부터 H2SO4의 형태로 SO2를 제거하도록 구성될 수 있는 반면, 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)은 주된 재순환하는 유체로부터 외측인 CO2 생성물 스트림으로부터 HNO3의 형태로 NO 및/또는 NO2를 제거하도록 구성될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)은, 도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 고압의 재순환하는 유체가 상기 동력 발생 시스템의 압축기 요소(18)로 도입되기 전에 상기 순 CO2 생성물 스트림으로부터 HNO3의 형태로 NO 및/또는 NO2를 제거하도록 구성될 수 있다. 다른 측면에 있어서, 도 1b에 예시한 바와 같이, 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)은 상기 고압의 재순환하는 유체가 상기 동력 발생 시스템의 압축기 요소(18)로 도입된 후에 상기 순 CO2 생성물 스트림으로부터 HNO3의 형태로 NO 및/또는 NO2를 제거하도록 구성될 수 있다. NOX 기상 촉매를 포함하여 이러한 물질 전달을 위해 필요한 성분들은 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)으로 들어가는 처리 유체 스트림(4) 내에 존재하며, 여기서 상기 SO2가 H2SO4로 제거된다. 일부 측면들에 따르면, 이들 성분들은 SO2, NO, NO2, O2 및 H2O를 포함한다.
일 측면에 따르면, 스트림(4)은 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 베이스로 들어가며, 이는 다단계의 직접 접촉식 항류(counter-current) 액체/증기 접촉 칼럼이 될 수 있고, 트레이(tray)들, 구조화된 패킹, 랜덤 덤프드(random dumped) 패킹 및/또는 이와 유사한 것과 같은 내부 접촉 수단을 포함할 수 있다. 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)은 유입 라인(8)을 통해 순 액체 생성물 스트림(7) 또는 제1 순환 펌프(31)를 공급하는 하부 유출 파이프(6)를 가진다. 상기 제1 순환 펌프 배출 라인(9)은 냉각된 액상 스트림(10)을 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 상단으로 배출하는 제1 수냉식 열교환기(22)로 들어간다.
일부 측면들에 있어서, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)은 유입 CO2 리치(rich) 스트림(4)을 대략 65℃의 예시적인 온도로부터 내부 접촉 매체들을 통해 항류로 낙하하는 상기 냉각된 재순환하는 유체 유동 스트림(10)에 대해 대략 주위 온도 부근까지 냉각시킨다. 특히, 상기 CO2는 냉각수의 온도에 근접하는 최소의 온도까지 냉각된다. 예시적인 일 측면에 따르면, 상기 CO2는 약 16℃까지 냉각되는 반면, 상기 냉각수는 대략 13℃의 온도에 근접한다. 상기 유입 CO2 스트림이 상기 접촉 매체를 통해 상향으로 흐르면서, 상기 스트림은 주위 온도 부근까지 냉각되고, 물이 더 응축되며, 오염 물질 제거 반응들이 일어난다. 이들 오염 물질 제거 반응들은 상기 유입 CO2 리치 스트림(4) 내의 남아 있는 과잉의 O2를 이용한 NO2로의 NO의 산화를 통해 기상으로 먼저 진행된다. 이어서, SO2가 SO3 및 NO를 형성하도록 NO2에 의해 산화된다. 다음에, SO3가 액상 내에 H2SO4를 형성하도록 물(H2O)과 반응함에 따라, SO2가 제거된다. NO는 이러한 프로세스에서 기상 촉매로 작용한다. 수반되는 오염 물질 제거 반응들은 다음의 식들에 자세하게 나타난다.
NO＋½O2＝NO2 식 G
NO2＝N2O4 식 H
2NO2＋H2O＝HNO2＋HNO3 식 I
3HNO2＝HNO3＋2NO＋SO3 식 J
NO2＋SO2＝NO＋SO3 식 K
SO3＋H2O＝H2SO4 식 L
이들 반응들은 황산 제조를 위한 연실법(Lead Chamber Process)의 메커니즘으로 잘 이해된다. 또한, 상기 반응들은 다음과 같이 설명될 수 있다. 식 G는 기상이고 반응 역학으로 조절되며, 식 H는 기상이고 빠른 역학으로 제어되는 평형이며, 식 I는 액상이고 반응 역학적으로 조절되며, 식 J는 액상이고 빠른 역학으로 제어되는 평형이며, 식 K는 기상이고 빠른 역학으로 제어되는 평형이며, 식 L은 접촉기(contactor) 내에서 충분히 빠른 프로세스로 설계될 수 있는 수성 상 내의 용해이다.
스트림(4) 내에 존재하는 약 100ppm 내지 약 2000ppm의 SO2와 약 20ppm 내지 약 2000ppm의 NOX와 함께 액상의 물의 존재에서의 대략 29bar의 상승된 압력 및 대략 0.58bar의 O2의 분압에서, 이들 반응들은 자발적이고 빠르게 진행된다. 또한, 상기 시스템은 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 상단을 나가는 스트림(11) 내의 SO2의 농도가 약 50ppm 아래인 반면, 상기 순 생성물 액체 스트림(7) 내의 HNO2 및 HNO3의 농도는 약 1% 아래인 점이 확보되도록 조절된다.
일 측면에 있어서, 이들 농도들은 스트림(4) 내의 NOX의 유입 농도를 제어하거나 및/또는 액체 대 증기 비율 및 이에 따른 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 조절되는 분리 효율을 제공하는 상기 제1 순환 펌프(31)로부터의 배출 흐름(9)을 제어하여 얻어진다. 다른 측면에 있어서, 상기 유입 CO2 리치 스트림(4) 내의 NOX의 농도가 조정될 수 있는 반면, 상기 제1 순환 펌프(31)로부터의 배출 흐름(9)은 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 상단을 떠나는 스트림(11) 내의 SO2의 농도를 확보하기 위해 일정하게 남거나 및/또는 상기 순 액체 스트림(7) 내의 HNO2 및 HNO3의 농도는 적절한 농도들이 된다.
일부 측면들에 따르면, 도 1a에 도시한 바와 같이, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 상단을 나가는 배출되는 CO2 생성물 스트림(11)은 분리될 수 있다. 예를 들면, 도 1a에 도시한 바와 같이, 대부분의 상기 CO2 생성물 스트림(11)이 상기 동력 발생 시스템(19)의 압축 및 펌핑 요소들(18)로 들어가는 상기 재순환된 재순환하는 유체 스트림(1A)으로 전환되는 반면, 상기 순 생성물 스트림(2A)은 제2 물질 전달 칼럼(40)으로 들어간다. 다른 측면에 따르면, 도 1b에 도시한 바와 같이, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 상단을 나가는 전체 배출되는 CO2 생성물 스트림(11)은 재순환된 재순환하는 유체 스트림(1B)으로서 동력 발생 시스템의 압축 및 펌핑 요소(18)로 공급될 수 있다. 상기 재순환된 재순환하는 유체 스트림이 상기 동력 발생 시스템의 적어도 하나의 압축 및/또는 펌핑 요소(18)를 통과한 후, 상기 고압의 재순환하는 동작 유체(3)는 상기 순 생성물 스트림(2B)이 상기 동력 발생 시스템의 적어도 하나의 압축 요소(18)를 통과한 후에 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)로 들어가도록 분리될 수 있다. 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)의 설계는 질산의 형성을 가져오는 일련의 반응들에 위한 충분한 접촉 시간과 분리 효율을 제공한다. 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)은 질산 생성물 스트림(13) 및 질산 재순환 스트림(14)으로 분리될 수 있는 하부 유출 액체 스트림(12)을 포함할 수 있다. 상기 질산 스트림들은 변화되는 질산 함량을 가지는 수성 스트림들인 것으로 이해된다. 일 측면에 있어서, 상기 질산 재순환 스트림(14)은 제2 순환 펌프(41)를 통과한다. 상기 제2 순환 펌프(41)로부터의 배출 흐름(15)은 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)에 냉각된 유입 희석 질산 스트림(16)을 생성하는 물 및/또는 주위 공기 냉각식 열교환기(23) 내로 공급된다.
일부 측면들에 있어서, 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)은 상기 냉각된 희석 질산 스트림(16)의 유입 포인트 상부에 제2 접촉 섹션(contacting section)을 포함한다. 상기 냉각된 희석 질산 스트림(16)의 유입 포인트 상부에 배치되는 상기 제2 접촉 섹션에는 순수한 물 유입 스트림(24)이 공급될 수 있다. 일 측면에 있어서, 상기 순수한 물 유입 스트림(24)의 유량은 상기 질산 생성물 스트림(13) 내의 원하는 HNO3 농도를 얻도록 조정될 수 있다. 상기 유량은 또한 최종 CO2 순 생성물 스트림(17) 내의 산 캐리-오버(carry-over)를 효과적으로 제거하는 기능을 수행할 수 있다. 상기 최종 CO2 순 생성물 스트림(17)은 산성 미립자들이 실질적으로 없을 것이고, SO2 및 NOX의 낮게 명시된 농도를 가질 것이다.
일 측면에 있어서, 상기 세트의 물질 전달 반응들은 상기 기상 내에 형성되는 SO3이 상기 액상 내의 H2SO4로 빠르고 효율적으로 전환되게 하기 위해 충분한 기체 대 액체 접촉을 생성하는 상기 제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼(30)에 의해 구현될 수 있다.
상기 제1 물질 전달 칼럼(30)은 구조화된 및/또는 랜덤 패킹 및/또는 기체 및 액체의 항류 배치를 구비하는 증류 트레이들을 포함하는 칼럼이 될 수 있다. 또한, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)은 상기 유입 CO2 리치 스트림(4)을 수용하기 위한 하부 유입구 및 냉각된 재순환의 희석 산성 스트림(10)을 수용하기 위한 상부 유입구를 포함할 수 있다. 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)에 대한 이러한 배치는 간접(indirect) 열교환기(22)를 통해 재순환되는 폐쇄 루프(closed loop) 냉각 유체를 제공할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내에서 제거된 열은 냉각탑 및/또는 강제 대류 팬-에어 냉각기(fan-air cooler)를 포함할 수 있는 냉각수 순환 시스템과 같은 주위 온도 냉각 수단들로 전달될 수 있다.
또한, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)은 상기 접촉 섹션 상부에 배치되는 효율적인 데미스터(demister)를 포함할 수 있다. 상기 데미스터는 다운스트림(downstream) 압축 장비를 부식으로부터 보호하기 위해 상기 배출되는 CO2 생성물 스트림(11)으로부터 혼입된 희석 H2SO4를 제거하도록 구성될 수 있고, H2SO4을 함유하는 용액들은 곤란한 안개를 형성하는 경향이 있다. 선택적으로는, 접촉 매체들의 추가적인 섹션이 배치될 수 있고, 상기 산성 미립자를 희석하거나 및/또는 산성 미립자의 캐리-오버를 제거하도록 순수한 물 스트림이 공급될 수 있다. 접촉 매체들의 추가적인 섹션은 물질 황산을 생성하는 전달 반응들을 촉진시킬 수 있고, 추가적인 냉각 매체에 대한 필요성을 제한할 수 있으며, 상기 동력 발생 시스템 내의 전열식 열교환기를 통해 배기 스트림으로부터 고급 열회수가 수반되는 상기 재순환하는 스트림으로부터의 나머지 연소 유래의 H2O를 응축시킬 수 있는 기체 대 액체 접촉의 최적화를 제공할 수 있다. 기체 대 액체 접촉의 최적화는 추가적인 냉각 매체에 대한 필요성을 제한하거나 및/또는 나머지 연소 유래의 H2O를 응축시키는 기체 대 액체 접촉의 최적화는 바람직하게는 적정한 칼럼 사이즈 및 체류 시간 내에 일어난다.
일부 측면들에 따르면, 상기 동력 발생 시스템(19)의 연소기 내부의 조건들은 질소, 상기 연료 및/또는 질소 내의 질소를 함유하는 성분들 및/또는 시스템 실(seal)들을 통한 공기 진입으로부터 유래되는 질소를 약 1500℃ 내지 약 2500℃의 통상적인 연소 온도들, 약 100bar 내지 약 500bar의 통상적인 연소 압력들에서 과잉의 산소 및 연소와 재순환된 고압의 CO2와의 혼합이 수반되는 약 0mol% 내지 약 5mol%의 O2의 범위인 조성을 가질 수 있는 과잉의 O2와 결합시킴에 의해 작은 생산량의 NO를 제공한다. 일 측면에 있어서, 열적 NO 형성 메커니즘이 NO의 생산을 지배함에 따라 보다 높은 불꽃 온도들이 대체로 바람직할 수 있다. NO의 상승된 농도가 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 H2SO4로의 상기 SO2의 제거 반응들을 보조하고, 충분한 속도로 진행되도록 촉진시킴에 따라 이러한 NO의 양의 보존이 바람직하다. 상기 연소기로부터 생성되는 NO의 보존은, 예를 들면, 반-폐쇄 루프 시스템 내의 NO의 축적에 의하거나 및/또는 수성 HNO3으로의 기체 NO2(NO 및 O2의 반응에 의해 형성되는)의 전환을 최소화하는 것과 같은 설계 고려 사항들을 거쳐 구현될 수 있다. 반-폐쇄 루프 시스템 내의 NO의 축적은 상기 동력 발생 시스템(18, 19)의 고유한 설계에 의해 제공될 수 있으며, 수성 HNO3 전환에 대한 기체 NO2의 최소화는 여기에 기재되는 바와 같이 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 칼럼 체류 시간을 SO2를 선택적으로 제거하도록 적합하게 하여 구현될 수 있다.
일 측면에 있어서, 상기 NO 농도는 HNO2 및/또는 HNO3으로의 NO2의 전환을 최소화하는 체류 시간을 가지기 위해 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 상기 직접 접촉식 수단들의 세심한 설계를 통해 높게 유지될 수 있다. 특히, SO2가 냉각된 터빈 배출 내에 존재하는 동안에 O2로의 NO의 산화에 의해 형성되는 NO2는 SO2와의 반응에 의해 즉시 NO로 다시 전환되는 것으로 관찰되었다. 다시 NO로의 즉각적인 상기 NO2의 전환은 이에 따라 기상 촉매의 높은 농도를 유지한다. 이러한 관점에서, 실질적으로 높은 양의 SO2가 상기 액상 내에서 H2SO4로의 SO2의 전환에 의해 상기 기상으로부터 영구적으로 제거되면, NO2가 HNO2 및 HNO3을 형성하도록 물에 용해되는 후속하는 일련의 반응들이 일어난다. 또한, 바람직한 일 측면은 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 상기 제2 반응 순서에 의해 보다 적은 양의 NO가 HNO2 및/또는 HNO3으로 전환되도록 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내에 조건들을 제공한다. 예를 들면, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 조건들은 30질량% 이하의 NOX가 HNO2 및/또는 HNO3으로 전환되는 상기 제1 물질 전달 칼럼 내에 존재하는 CO2 리치 배출 스트림(11)을 제공할 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 약 5% 이하의 NOX가 상기 고압의 재순환하는 동작 유체가 상기 제1 물질 전달 칼럼을 떠나기 전에 HNO2 및/또는 HNO3로 전환된다. HNO2 및/또는 HNO3으로 보다 많은 양의 NO를 전환시키는 것은 상기 동력 발생 시스템(19)의 터빈을 떠나고, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)으로 들어가는 상기 유입 CO2 리치 스트림(4) 내의 NO의 농도를 감소시킬 수 있으며, 이에 따라 H2SO4로의 SO2의 전환 비율이 낮아질 수 있다. 또한, 전환된 임의의 HNO2 및/또는 HNO3은 상기 황산 액체 스트림(7)으로 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)을 나가며, 이후에 중화될 수 있다. 상기 NOX 전환의 실제 양은 정확한 프로세스 요구들에 기초하여 조정될 수 있다.
상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 SO2의 분리된 제거는 또한 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 상기 재순환하는 유체 내에 황산(및/또는 추적 HNO3)을 축적시킬 수 있다. 일 측면에 있어서, 상기 황산 액체 스트림 내의 작은 HNO3 농도가 존재할 수 있지만, 상기 농도 양은 최소로 제어될 수 있다. 석탄으로부터 유래되는 수은과의 HNO3의 반응은 주로 질산 제이수은(mercuric nitrate)을 형성하는 상기 제2 물질 전달 칼럼(40) 내에서 일어난다. 혼합된 H2SO4＋HNO2＋HNO3은 또한 다른 낮은 농도의 불순물들을 산성의 액상으로 제거될 수 있는 가용성 염들로 전환시킬 수 있다. 추가적으로나 선택적으로, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내에 생성된 남아 있는 황산은 H2SO4를 황산칼륨으로 전환시키기 위해 물 속에서 분쇄된 석회암 및/또는 임의의 다른 적합한 알칼리성 화합물의 슬러리와 반응될 수 있다. 상기 전환된 황산칼슘은 고체로 제거될 수 있고, 상업적으로나 및/또는 처리에 사용될 수 있다. 또한, CO2는 상기 순 동력 생산 사이클 CO2 스트림(1)과 결합될 수 있거나 및/또는 이송을 위해 스트림(17)을 파이프라인(21)으로 배기하는 공통적이거나 별도의 시스템으로 전환될 수 있는 순수한 생성물을 생성하는 이러한 단계 동안에 방출될 수 있다.
일부 측면들에 있어서, 상기 프로세스에서 본질적으로 생성되는 NO는 프로세스 가스로부터 SO2의 충분한 제거를 촉진시키기에 불충분할 수 있다. 일 측면에 따르면, 실질적으로 NO를 포함하는 NO 추가 스트림(5)이 상기 동력 발생 시스템(5)에 도입될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 NO는, 예를 들면, NO 생산 유닛(20) 내에서 촉매에 대해 산소 및/또는 이산화탄소를 포함하는 혼합물과의 암모니아(NH3)의 산화에 의해 생성될 수 있다. 상기 동력 발생 시스템(18, 19)에 대한 순수한 N2의 첨가는 상기 추가가 시스템 동역학에 급격한 효과를 야기할 수 있기 때문에 바람직하지 않을 수 있다. 예를 들면, 상기 순수한 N2의 첨가는 유체의 압축률과 같은 중요한 동작 유체 성질들을 변화시킬 수 있다. 상기 NO 추가 스트림(5)을 통한 상기 NO의 첨가를 거쳐 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)에 대한 NO의 유입 농도를 제어함에 의해, 상기 프로세스 가스로부터의 SO2의 요구되는 제거 시간이 원하는 칼럼 체류 시간 이내에 해당되도록 조절될 수 있다. 이러한 제어 메커니즘에서 중요한 점은 실질적으로 모든 SO2가 제거될 때까지 NO가가 소모되지 않을 수 있는 것이다. 이와 같이, 상기 제1 반응기 물질 전달 칼럼(30)은 NO의 상당한 제거 없이 상기 SO2의 거의 모두(예를 들어, 99.99%)를 제거하게 위한 상기 유입 NO 농도의 세심한 제어에 의해 조정될 수 있거나 및/또는 설계될 수 있다. 특정한 NO 농도는 상기 유입 SO2 농도뿐만 아니라 SO2 제거를 위해 설계된 체류 시간에 의해 결정될 수 있다. 예를 들어, 일 측면에 따르면, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)에 대한 유입에서 NO 농도는 약 152ppm이 될 수 있고, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)에 대한 유입에서 SO2 농도는 약 1318ppm이 될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 및/또는 상기 제2 물질 전달 칼럼(40) 모두 내에서의 환류 비율은 상기 제1 및/또는 제2 순환 펌프들(31, 41) 내의 유량들을 조절하여 제어될 수 있다. 일부 측면들에 있어서, 상기 동력 발생 시스템의 하나의 설계 고려 사항은 상기 칼럼 체류 시간을 포함할 수 있으며, 이는 상기 SO2 제거가 완료되고 상기 기상이 상기 액상으로부터 분리될 때에 HNO2 및/또는 HNO3으로의 상기 NO의 전환이 일어나지 않은 것과 같이 최적화될 수 있다.
재순환하는 프로세스 유체를 포함하는 예시적인 하나의 동력 발생 시스템(18, 19)에 있어서, NO의 양은 상기 칼럼 체류 시간 및 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 유입구에서의 종들의 농도들을 조정하거나 및/또는 구성함에 의해 프로세스 스트림 내에서 전환될 수 있으므로, NO가 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 유출구에서 상기 배출되는 CO2 생성물 스트림(11) 내에 남아 있게 하면서 SO2의 원하는 제거 효율이 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내에 구현된다. 예시적인 일 측면에 따르면, 상기 제1 칼럼 체류 시간은 약 30초이고, 상기 제1 칼럼의 출구에서의 NO 농도는 약 155ppm이다. 이러한 관점에서, 상기 재순환하는 유체 스트림(1) 내에 상승된 NO 농도를 생성하는 축적 효과가 일어나며, 이에 따라 상기 제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼(30) 내에 동일한 SO2 제거 비율을 유지하기 위해 상기 NO 생성 유닛(20)으로부터 요구되는 다량의 NO 추가가 감소될 수 있다. 이러한 축적 효과는 연소가 SO2의 상승된 농도를 가져옴에 따라 상기 제거 시간이 상기 시스템 내부의 NO의 농도를 상승시켜 실질적으로 감소되게 하는 시스템들에서 특정한 영향을 가진다.
일부 측면들에 있어서, 상기 동력 발생 시스템(5)의 제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼(30) 내의 냉각 및 SO2 제거에 후속하여, 상기 배출되는 CO2 생성물 스트림(11)이 두 스트림들로 분할될 수 있고, 대략 100bar부터 대략 500bar까지의 범위의 압력까지 압축될 수 있다. 부수적 스트림은 산소 스트림을 희석하여, 상기 연소기 내에 사용되는 상기 산화제 혼합물을 형성하는 반면, 주요 스트림은 상기 동력 발생 시스템(19)의 전열식 열교환기 내에서 약 500℃부터 약 800℃까지의 범위의 온도까지 가열되고, 상기 터빈 유입 흐름을 형성하는 상기 연소기 생성물 가스와 혼합된다. 이들 조건들 하에서 N2 및 O2로의 NO의 전환 및/또는 N2 및 O2 사이의 반응에 의한 NO의 형성으로 인해 NO의 파괴는 사실상 없다. 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)으로 들어가는 열회수되고 냉각된 유입 CO2 리치 스트림(4) 내의 NO의 농도와 양은 적은 양의 HNO3이 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내에 형성되고, 상기 순 CO2 생성물 스트림(2) 내에 존재하는 NOX가 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)으로 들어감에 따라 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)을 나가고 상기 재순환하는 유체 스트림(1)으로 들어가는 농도와 양보다 높을 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2 물질 전달 칼럼들(30, 40)의 설계는 상기 가스 체류 시간이 최대 출력으로부터 최소 강하까지의 전체 동작 범위에 걸쳐 동작하는 상기 동력 발생 시스템(18, 19)을 위한 적당한 반응 조건들을 가져오도록 이상적으로 될 것이다. 예를 들어, 최대 하강(예를 들어, 50%의 터빈 흐름)에서, 상기 칼럼 체류 시간이 배가되며, 이는 실질적으로 보다 많은 NO 손실을 야기할 수 있다. 그러나, 반응들에 대한 증가된 시간은 상기 유입 가스 내에 보다 낮은 NO 농도를 제공할 수 있으며, 이는 여전히 원하는 SO2 제거를 가능하게 할 수 있다. 이러한 NO 농도는 여기에 논의되는 방식들로 추가 및 축적을 통해 보충될 수 있다.
예시적인 일 측면에 따르면, 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)은 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)보다 작을 수 있고, 상기 동력 발생 시스템(18, 19)의 순 CO2 생성물 스트림 내에 삽입될 수 있다. 또한, 상기 보다 작은 제2 물질 전달 칼럼(40)은 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)과 유사한 반응들 및/또는 설계 고려 사항들을 채용할 수 있으므로, 상기 보다 작은 제2 물질 전달 칼럼(40) 또한 SO2를 제거하도록 구성된다. 상기 보다 작은 제2 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼(40)은 이후에 후속하여 상기 NO 농도를 원하는 다운스트림 NO 농도로 변경시킬 수 있고, 추가적으로 또는 선택적으로 상기 프로세스 동안에 HNO2 및 HNO3을 생성할 수 있다. 상기 칼럼은 상기 제1 직접 접촉식 반응기와 유사한 압력에서나 실질적으로 상승된 압력에서 동작할 수 있고, 압축 단계 또는 일련의 압축 단계들이 수반된다. 다른 측면에 따르면, 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)은 상기 제1 물질 전달 칼럼(30)의 경우와 유사한 온도에서나 상기 제1 물질 전달 칼럼에 비해 실질적으로 상승된 온도에서 동작할 수 있으며, 상기 최종 순 CO2 생성물 스트림(17)에 대한 요구 사항들에 따를 수 있다.
상기 제1 및 제2 물질 전달 칼럼들(30, 40)의 설계는 상기 SO2 및 NO의 제거 비율 특성들에 의해 영향을 받을 수 있다. 예를 들면, SO2 제거는 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 증가하는 체류 시간, 압력 및 NO 농도로 대략 100%의 제거 비율까지 촉진된다. 따라서, 높은 유입 NO 농도가 상기 SO2 제거 비율을 증가시키기 위해 바람직할 수 있다. 예를 들면, 도 2는 주어진 고정 체류 시간을 나타내는 그래프를 예시하며, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 SO2를 제거를 위한 제거 시간은 상기 NO 농도가 증가됨에 따라 감소된다. 도 3은 원하는 유출 농도에 대한 상기 NO 제거 시간이 SO2가 실질적으로 제거되면 고정된 원하는 제거 시간 한계에 점근적으로 접근하는 점을 예시한다. 이는 NO의 축적의 높은 레벨들에서도 상기 제2 물질 전달 칼럼(40)에서의 원하는 한계에 대한 NO 제거를 위해 요구되는 추가 시간이 결국 점근 시간에 접근하지만, 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 SO2의 제거 시간은 과잉의 NO의 추가로 변함없이 감소되는 것을 나타낸다. 이는 상기 제1 물질 전달 칼럼(30) 내의 SO2의 제거 비율을 증가시키는 NO의 추가가 상기 제2 물질 전달 칼럼(40) 내에서 유지될 수 있으며, 상기 점근 제거 시간에 더하여 적절한 안전 계수를 조정할 수 있거나 및/또는 설계될 수 있는 것을 의미한다. 일부 측면들에 있어서, 상기 제2 접촉기 내의 NOX의 제거는 상기 칼럼에 대한 추가적인 산소의 첨가에 의해 더 촉진될 수 있다.
다른 측면들에 있어서, 상기 제2 칼럼(40) 내의 NOX의 제거는 상기 제2 칼럼으로 들어가기 전에 상기 제1 칼럼(30)의 경우 이상의 압력까지의 스트림(2A 및/또는 2B)의 압축에 의해 촉진될 수 있다. 이는 상기 식 G에 도시한 바와 같이 상기 NO2로의 NO의 전환을 촉진시킬 것이므로, 상기 제거 반응들이 완료까지 보다 빠르게 구동된다. 이러한 압축기의 정확한 배출 압력은 상기 제2 칼럼(40) 내의 요구되는 제거를 수행하기 위해 조정될 수 있다. 이러한 실시예들은 도 1a에 예시되며, 여기서 압축기(62)는 블록(18) 및 상기 제2 칼럼(40) 사이의 라인(2A) 내에 존재한다. 상기 압축기는 선택적인 것이 될 수 있다. 선택적으로는, 도 1b와 관련하여, 상기 CO2 및 NO를 함유하는 재순환 스트림의 전체 함량은 압축이 수행될 수 있는 상기 블록(18) 내의 동력 발생 시스템 내에 투입될 수 있다. 이에 따라, 스트림(2B)은 상기 제2 칼럼(40)에 전달되는 임의의 압력에서 블록(18)으로부터 집적 취해질 수 있다.
일부 실시예들에 있어서, 추가적인 산소를 상기 제2 칼럼(40)내로의 입장 이전에 상기 스트림에 추가하는 것이 바람직할 수 있다. 도 1b에 예시한 바와 같이, 산소 소스(60)는 상기 제2 칼럼(40) 내로의 입장 이전에 라인(61a)을 통해 상기 스트림(2B)에 산소를 공급하도록 위치한다. 산소를 추가하기 위한 이러한 요소들이 마찬가지로 도 1a의 라인(2A)에 대한 산소의 추가에 적용될 수 있는 것으로 이해된다. 상기 산소 소스는 선택적인 것이 될 수 있다. 다른 측면들에 있어서, 산소의 추가 및 재압축의 이용이 NOX의 제거를 더 촉진시키기 위해 수행될 수 있다.
본 발명의 특정한 측면들을 예시하도록 설정되고, 제한하는 것으로 이해되지는 않아야 하는 다음의 실험예(들)에 의해 본 발명을 더 설명한다.
실험예 1
평가가 완전히 회수된 천이 임계의 이산화탄소 브레이턴(Brayton) 동력 사이클을 구동시키도록 탄소질 연료의 산소 연소를 사용하는 동력 발생 시스템과 관련되어 수행되었다. 이러한 배치는, 다양한 측면들에서, 본질적으로 격리 및/또는 파이프라인 준비 압력으로 CO2를 포집한다. 황 및 질소의 농도들이 연소 연료 내에서는 낮은 측면들에 있어서, CO2는 최소의 후처리 단계들을 이용하여 포집될 수 있다. 따라서, 상기 사이클로부터 방출되는 CO2는 적은 추가적인 후처리나 추가적인 후처리가 없이 원하는 몰 농도에서 CO2 파이프라인으로 배출될 수 있다. 그러나, 상기 연료가 상승된 농도들의 황 및 질소를 함유할 때 및/또는 상기 시스템으로의 공기 진입이 상대적으로 높을 때, 연소 온도들 및 플랜트의 고온 단부(hot end)에서의 높은 온도들이 상기 연료뿐만 아니라 임의의 다른 산화 가능한 화합물들을 산화시키며, 처리 장비를 보호하고 법에 규정된 CO2 파이프라인 순도 레벨들을 충족시키도록 제거되어야 하는 NOX 및/또는 SOX와 같은 산성 가스들을 생성할 수 있다.
일 예에서, 시스템(50)은 여기에 설명되는 방식으로 제1 및 제2 물질 전달 칼럼을 구비하여 구성된다. 상기 제1 물질 전달 칼럼은 재순환하는 유체 스트림 내로 포함되고, 상기 재순환하는 유체로부터 SO2를 처리하고 선택적으로 제거한다. 상기 제1 물질 전달 칼럼의 입구에서, NO는 고정된 유량으로 임의의 적합한 프로세스를 통해 상기 재순환하는 유체 스트림 내로 주입되고, 상기 제1 물질 전달 칼럼의 제공된 정해진 체류 시간 이내에 SO2의 완전한 제거를 제어하기 위해 조정될 수 있다. 예시적인 일 실시예에 있어서, 상기 NO 주입 속도는 약 46.67lb/hr이며, 촉매에 대해 암모니아 산화를 이용한다. 상기 제1 물질 전달 칼럼 내에서, 대략 30bar의 압력 및 약 60℉ 내지 약 200℉의 온도에서, SO2가 제거되고, NO의 대부분이 상기 동작 유체와 함께 나가게 되어 상기 프로세스 내에서 재순환하며, 이에 따라 상승된 시스템에 미치는 NO의 농도를 가져온다. 이러한 NO의 상승된 농도는 상기 제1 물질 전달 칼럼 내에서 SO2 제거를 촉진시키는 영향을 가진다.
상기 제2 물질 전달 칼럼은 대략 30bar의 압력 및 대략 주위 온도로 상기 동력 발생 시스템의 유출구에서 동작한다. 특히, 상기 제2 물질 전달 칼럼은 상기 동작 유체 내의 잔류 NO를 대략 20ppm과 같은 원하는 농도까지 제거한다. 예시적인 시스템의 컴퓨터 시뮬레이션이 완료되었고, 상기 체류 시간과 NO 및 SO2의 유입 및 유출 농도들과 같은 결과들 및 관련된 입력들이 다음의 표 1에 나타난다. 다음의 표 1에 도시한 결과들 및 관련된 입력들은 예시적인 목적으로 의도되며, 본 발명의 범주를 제한하는 것으로 의도된 것은 아니다. 여기에 개시된 결과들은 구체적인 예상으로 해석되게 의도된 것은 아니며, 단지 대략적인 결과(즉, 상기 제2 물질 전달 칼럼을 나가는 SOX의 양(몰분율)인 1.39E-20은 상기 제2 물질 전달 칼럼을 나가는 실질적으로 제로(zero)의 양의 SOX를 의미한다)의 표기이다.
표 1: 동력 발생 시스템 내의 제1 및 제2 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼들의 성질들
제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼 초 요구되는 체류 시간 30
제2 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼 초 요구되는 체류 시간 22.2
NOX 첨가 lb몰_NO/hr 주입된 NO 1.5553
lb_NO/hr 주입된 NO 46.6685495
제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼 lb/hr 유입에서의 전체 NO 780.744945
유입에서의 전체 SO2 14458.5508
유출 NO 780.474244
유출 SO2 0.000263097
몰분율 NO 투입 0.000151911
SO2 투입 0.00131764
NOX 배출 0.000155385
SOX 배출 2.45E-11
lb/hr 전체 잘량 유량 배출 7335076.8
제2 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼 lb/hr 유입 NOX 44.1640181
유입 SOX 1.49E-05
유출 NOX 8.44E-15
유입 SOX 5.6701554
몰분율 NOX 투입 0.000155632
SOX 투입 2.46E-11
NOX 배출 2.00E-05
SOX 배출 1.39E-20
lb/hr 전체 잘량 유량 배출 413664.494
비록 상기 재순환하는 프로세스 가스 스트림 내로의 증가되는 NO의 주입 속도가 전체 SO2 제거를 위한 상기 제1 직접 접촉식 반응기 물질 전달 칼럼 내의 요구되는 체류 시간을 감소시킬 수 있지만, 결국 최적의 SO2 제거 속도 및 비용을 위해 요구되는 체류 시간을 결정할 것인 펌핑 작업의 가변적 비용, NO 추가, 중화 및 칼럼 사이즈의 자본 비용 사이의 균형이 존재한다.
본 발명의 많은 변형들과 다른 실시예들은 앞서의 설명들 및 관련된 도면들에서 제시되는 교시들의 이점을 가지는 것으로 본 발명이 속하는 해당 기술 분야의 숙련자에게 이해될 것이다. 이에 따라, 본 발명이 개시되는 특정한 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 변형들과 다른 실시예들도 첨부된 특허청구범위의 범주 내에 속하도록 의도되는 점이 이해될 것이다. 비록 특정 용어들이 여기에 사용되지만, 이들 용어들은 일반적이고 서술적인 의미로만 사용되며, 제한의 목적을 위해 사용되는 것은 아니다.

Claims (22)

  1. 동력 생산 사이클에 의해 생성되는 생성물 스트림(stream)으로부터 산성 가스들을 제거하기 위한 방법에 있어서,
    동력 생산 사이클을 수행하는 단계;
    CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 상기 동력 생산 사이클로부터 제1 직접 접촉식 냉각탑(direct contact cooling tower) 내로 안내하는 단계;
    상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 제1 항류(counter-current)의 순환하는 수성 액체 스트림과 접촉시키는 단계;
    상기 수성 액체 스트림의 존재에서 상기 생성물 스트림 내의 상기 SO2 및 NO2 사이의 반응을 통해 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 생성물 스트림 내에 존재하는 SO2의 적어도 일부를 제거하는 단계;
    상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 취출하는 단계; 및
    상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 동력 생산 사이클 내로 다시 전달하는 단계를 포함하며,
    상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX의 농도는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림(upstream)에서 NOX를 추가하여 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 향류의 순환하는 수성 액체 스트림은 H2SO4를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림은 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림의 전체 질량을 기준으로 적어도 10ppm의 NOX를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX 농도는 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 50질량% 이하의 NOX가 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내에서 HNO3로 전환되게 하는 범위 내로 조절되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 취출되는 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 도입되는 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내에 존재하는 적어도 90질량%의 NOX를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 취출되는 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 SO2를 포함하지 않거나, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 전체 질량을 기준으로 50ppm 이하의 양으로 SO2를 함유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 NOX는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 연소기 내에서 질소 소스를 연료 가스 및 산화제와 결합하여 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 NOX는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림에 직접 추가되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림에 직접 추가되는 상기 NOX는 암모니아로부터 발생되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림 내의 NOX의 농도는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 생성물 스트림을 수용하고, 상기 액체 생성물 스트림을 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑 내로 재순환시키도록 구성되는 제1 재순환 펌프로부터 배출 흐름을 증가시키거나 감소시켜 조정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림 내의 NOX의 적어도 일부는 상기 동력 생산 사이클 내로 다시 안내되는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 1 항에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 및 순(net) CO2 생성물 스트림 내로 다시 안내되는 재순환하는 동작 유체(working fluid) 스트림 내로 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하는 단계;
    상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 제2 항류의 순환하는 수성 액체 스트림과 접촉시키는 단계;
    상기 NO2 및 물 사이의 반응을 통해 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내의 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림으로부터 NO2의 적어도 일부를 제거하는 단계; 및
    상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 CO2를 함유하는 스트림을 취출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제2 항류의 순환하는 수성 액체 스트림은 HNO3을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제 13 항에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림을 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하기 전에 O2를 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림에 추가하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 13 항에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑 내로 안내하기 전에, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 내의 압축기를 사용하여 압축되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 13 항에 있어서, 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림은 상기 동력 생산 사이클 및 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로 안내되는 순 생성물 스트림 내로 다시 안내되는 재순환하는 부분 내로 분리되는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 동력 생산 사이클에 의해 생성되는 생성물 스트림으로부터 산성 가스를 제거하기 위한 시스템에 있어서,
    동력 생산 사이클의 구성 요소로부터 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성되는 생성물 스트림을 전달하도록 구성되는 전달 요소;
    SO2의 적어도 일부가 제거되고, CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림이 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 생산되는 반응 조건들 하에서 상기 동력 생산 사이클의 구성 요소로부터 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림을 수용하도록 구성되는 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑;
    상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림에서 상기 CO2, SOX 및 NOX를 함유하는 생성물 스트림에 NOX의 추가를 위해 구성되는 NOX 소스;
    상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 스트림을 수용하고, 상기 액체 스트림의 적어도 일부를 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로 재순환시키도록 구성되며, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑과 유체 연통되는 제1 재순환 펌프; 및
    상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 상기 동력 생산 사이클의 구성 요소로 전달하도록 구성되는 전달 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림 내의 NO2의 적어도 일부가 제거되고, CO2를 함유하는 스트림이 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 생산되는 반응 조건들 하에서 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 상기 CO2 및 NOX를 함유하는 재순환 스트림의 적어도 일부를 수용하도록 구성되는 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑; 및
    상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 액체 스트림을 수용하고, 상기 액체 스트림의 적어도 일부를 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑으로 재순환시키도록 구성되며, 상기 제2 직접 접촉식 냉각탑과 유체 연통되는 제2 재순환 펌프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서, 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림이고, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 다운스트림(downstream)에 위치하는 O2 투입을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  21. 제 18 항에 있어서, 제2 직접 접촉식 냉각탑으로부터 업스트림이고, 상기 제1 직접 접촉식 냉각탑으로부터 다운스트림에 위치하는 압축기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
  22. 삭제
KR1020187014323A 2015-10-21 2016-10-21 동력 생산 사이클로부터 연소 생성물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들 KR102068504B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562244411P 2015-10-21 2015-10-21
US62/244,411 2015-10-21
PCT/US2016/058104 WO2017070466A2 (en) 2015-10-21 2016-10-21 Systems and methods for removing combustion products from a power generation cycle

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180072779A KR20180072779A (ko) 2018-06-29
KR102068504B1 true KR102068504B1 (ko) 2020-01-21

Family

ID=57281286

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020187014323A KR102068504B1 (ko) 2015-10-21 2016-10-21 동력 생산 사이클로부터 연소 생성물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들

Country Status (15)

Country Link
US (1) US9919268B2 (ko)
EP (1) EP3365094B1 (ko)
JP (1) JP7021081B2 (ko)
KR (1) KR102068504B1 (ko)
CN (1) CN108290111B (ko)
AU (1) AU2016341977B2 (ko)
BR (1) BR112018007736A2 (ko)
CA (1) CA3001841C (ko)
EA (1) EA035992B1 (ko)
ES (1) ES2899076T3 (ko)
MA (1) MA44745A (ko)
MX (1) MX2018004869A (ko)
PL (1) PL3365094T3 (ko)
WO (1) WO2017070466A2 (ko)
ZA (1) ZA201803108B (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5759543B2 (ja) * 2010-07-02 2015-08-05 エクソンモービル アップストリーム リサーチ カンパニー 排ガス再循環方式及び直接接触型冷却器による化学量論的燃焼
KR102091171B1 (ko) * 2018-08-08 2020-03-20 한국생산기술연구원 황산화물 및 질소산화물의 동시 저감이 가능한 가압 하이브리드 응축기
CN109442457A (zh) * 2018-10-17 2019-03-08 单春艳 一种工业用锅炉节能减排装置
US11193421B2 (en) 2019-06-07 2021-12-07 Saudi Arabian Oil Company Cold recycle process for gas turbine inlet air cooling
CA3149461A1 (en) 2019-08-26 2021-03-04 8 Rivers Capital, Llc Flame control in an oxyfuel combustion process

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070122328A1 (en) 2005-11-28 2007-05-31 Allam Rodney J Purification of carbon dioxide
US20130206000A1 (en) 2009-10-19 2013-08-15 The Kansai Electric Power Co., Inc. Reclaiming apparatus and reclaiming method

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001087464A1 (en) * 2000-05-12 2001-11-22 Powerspan Corp. Process for scrubbing flue gas using acids
JP2007147161A (ja) * 2005-11-28 2007-06-14 Electric Power Dev Co Ltd 燃焼装置の排ガス処分方法及び装置
AU2010217812B2 (en) 2009-02-26 2014-06-26 8 Rivers Capital, Llc Apparatus and method for combusting a fuel at high pressure and high temperature, and associated system and device
US9068743B2 (en) 2009-02-26 2015-06-30 8 Rivers Capital, LLC & Palmer Labs, LLC Apparatus for combusting a fuel at high pressure and high temperature, and associated system
US8596075B2 (en) 2009-02-26 2013-12-03 Palmer Labs, Llc System and method for high efficiency power generation using a carbon dioxide circulating working fluid
US8986002B2 (en) 2009-02-26 2015-03-24 8 Rivers Capital, Llc Apparatus for combusting a fuel at high pressure and high temperature, and associated system
WO2011140054A2 (en) * 2010-05-03 2011-11-10 Massachusetts Institute Of Technology Carbon dioxide purification
CN101837233B (zh) * 2010-05-11 2012-07-18 华北电力大学（保定） 在富氧燃烧锅炉烟气co2捕集中回收so2与no的装置
US8197778B2 (en) * 2010-07-08 2012-06-12 Air Products And Chemicals, Inc. Handling of acids from compressed oxyfuel-derived CO2
US8025860B1 (en) * 2010-07-08 2011-09-27 Air Products And Chemicals, Inc. Removal of acid mists
US8869889B2 (en) 2010-09-21 2014-10-28 Palmer Labs, Llc Method of using carbon dioxide in recovery of formation deposits
US8241603B1 (en) * 2011-03-22 2012-08-14 Gas Technology Institute Process and system for removing sulfur from sulfur-containing gaseous streams
EP2812417B1 (en) 2012-02-11 2017-06-14 Palmer Labs, LLC Partial oxidation reaction with closed cycle quench
JP2016000381A (ja) * 2014-06-11 2016-01-07 三菱日立パワーシステムズ株式会社 酸性ガス処理方法および酸性ガス処理装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070122328A1 (en) 2005-11-28 2007-05-31 Allam Rodney J Purification of carbon dioxide
US20130206000A1 (en) 2009-10-19 2013-08-15 The Kansai Electric Power Co., Inc. Reclaiming apparatus and reclaiming method

Also Published As

Publication number Publication date
CA3001841C (en) 2023-08-29
KR20180072779A (ko) 2018-06-29
ES2899076T3 (es) 2022-03-10
EA201890986A1 (ru) 2018-11-30
AU2016341977B2 (en) 2019-10-31
JP2018532584A (ja) 2018-11-08
CA3001841A1 (en) 2017-04-27
AU2016341977A1 (en) 2018-05-31
PL3365094T3 (pl) 2022-02-21
US20170113185A1 (en) 2017-04-27
ZA201803108B (en) 2019-06-26
EP3365094B1 (en) 2021-08-25
CN108290111B (zh) 2021-05-04
JP7021081B2 (ja) 2022-02-16
CN108290111A (zh) 2018-07-17
BR112018007736A2 (pt) 2018-10-23
MA44745A (fr) 2021-04-21
WO2017070466A2 (en) 2017-04-27
US9919268B2 (en) 2018-03-20
WO2017070466A3 (en) 2017-06-22
MX2018004869A (es) 2018-08-15
EA035992B1 (ru) 2020-09-10
EP3365094A2 (en) 2018-08-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102068504B1 (ko) 동력 생산 사이클로부터 연소 생성물들을 제거하기 위한 시스템들 및 방법들
US11285437B2 (en) Systems and methods for carbon capture
EP1690040B1 (en) Method for co2 separation from thermal power plant combution gas
RU2257477C2 (ru) Энергосистема для повышения термодинамической эффективности и усиления контроля загрязнения окружающей среды
US8038773B2 (en) Integrated capture of fossil fuel gas pollutants including CO2 with energy recovery
US6574962B1 (en) KOH flue gas recirculation power plant with waste heat and byproduct recovery
CA2828278C (en) Low emission power generation systems and methods incorporating carbon dioxide separation
KR102451300B1 (ko) 부분 산화를 이용한 동력 생산을 위한 시스템 및 방법
CN102380312B (zh) So2催化氧化和氧燃料酸压缩的集合
EP2598230A1 (en) Jet engine with carbon capture
JP7336433B2 (ja) 固体燃料の燃焼及び二酸化炭素の回収を伴う発電のためのシステム及び方法
EP3169879A1 (en) Integrated calcium looping combined cycle for sour gas applications
EA036575B1 (ru) Способ выработки энергии

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant